近日昆明理工大學和美國索爾克生物研究所的科學家團隊在《細胞》雜誌上發表論文，宣布成功構建了世界首例人-猴嵌合胚胎，即同時具有人和猴細胞來源的胚胎。這一發現表明人源多能幹細胞能夠在猴子胚胎中存活並整合，並且有向不同器官類型分化的趨勢。
那麼，這項研究的意義究竟是什麼？是否能夠為人類器官移植研究帶來新的希望？又或是對科研倫理提出了新的的挑戰？
器官移植面臨的挑戰
在器官移植技術得以臨床運用之前，許多疾病，例如終末期腎功能衰竭，終末期肝硬化的病人可能只能在重症監護室中通過透析機等機器來維持生命，並最終死亡，給許多家庭帶來了沉重的精神和經濟負擔。隨着器官移植技術的臨床普及，給予了很多病人第二次生命，因此器官移植也被稱為“二十一世紀醫學之巔”。1990年兩名器官移植的先驅，美國醫生Joseph Murray和EDonnall Thomas獲得了諾貝爾生理和醫學獎。
然而，器官移植現狀卻是：全球每年大概有200萬人亟待通過器官移植拯救生命，我國每年約有30萬人需器官移植，最終只有約1萬人能完成移植。等待，焦急的等待，最終絕望的等待可能是絕大多數病人的現狀，也是我們健康人無法體會到的痛楚。此外，即便獲得了可移植的器官，巨額的治療費用以及隨後長期服用抗排斥藥物的費用，仍然是患者巨大的負擔。若能以患者自身來源的多能幹細胞為材料，再利用實驗動物產生出具有功能的器官移植回患者體內，就能有效避免排斥反應的發生，這必將是醫學發展的又一高峰。而嵌合體技術，就是實現這一設想的重要手段。
異種嵌合體技術打開了器官供體來源的另一扇門
2010年東京大學中內啟光（Hiromitsu Nakauchi）團隊在《Cell》發表研究成果，通過異種嵌合體技術，將大鼠的多能幹細胞注射到不能形成胰腺的小鼠囊胚中，移植回代孕母鼠體內，產生了具有健康胰腺的小鼠。但是該胰腺只有小鼠胰腺大小，分離出的胰島數量太少而不能用於治療糖尿病大鼠模型。隨後2017年該團隊在《Nature》公布了研究成果，實現了在大鼠體內產生了完全來自於糖尿病小鼠多能幹細胞的自體胰腺，分離出能正常分泌胰島素的胰島組織，並移植到患糖尿病的小鼠體內后，成功控制了小鼠的血糖水平。這些研究成果令大家感到興奮，異種嵌合體技術為器官的異種來源帶了曙光。
1年後小鼠的血糖值依然維持在正常水平（Toshihiro Kobayashi et al， cell，2010； Toshihiro Kobayashi et al， nature， 2017）。
實現在動物體內培育出可供移植的人類器官還要多久？
雖然小鼠-大鼠異種嵌合的成功給人類利用異種嵌合技術獲取人類器官帶來了希望，但是要實現在動物體內培育出可供移植的人類器官還相當遙遠！科學家希望有一天能夠在豬的體內運用病人幹細胞，生產所需器官，因為豬的腎臟，心臟，胰腺等器官，與人器官的大小接近，且用豬作為人器官生產的供體更容易被大眾所接受。為此，2017年科學家成功在豬體內成功培育出3到4周的人豬嵌合體（相當於人類懷孕8到10周），令人遺憾的是，這些豬的胚胎中，每十萬個豬細胞中可能才只有一個人的細胞。遠遠沒有達到能夠有效在體內產生功能性組織的水平。要知道在進化距離較近的大鼠和小鼠之間，兩者整體嵌合率可以達到20%-30%。通過互補，在某些器官嵌合率可以達到90% 以上。
圖來源於：https：//www.utsouthwestern.edu/labs/wu-jun/contact/
為了提高嵌合效率，全球科學家做了很多努力，2017年通過在人類胚胎幹細胞中過表達抗凋亡基因BCL2及BCL2L1，獲得了人-鼠異種嵌合小鼠胚胎，並證明其同時具有胚內、胚外組織的嵌合能力。在10.5天的人小鼠嵌合體中檢測到人幹細胞的嵌合率高達1%。通過建立具有胚內和胚外發育潛能的小鼠和人的新型多能幹細胞，即具有全能性特徵的多潛能幹細胞系（EPS細胞）。並且證明人EPS細胞注射到早期小鼠胚胎后，能夠穩定地嵌合到小鼠胚內和胚外組織中，其胚內整合比例比已報道的整合效率提高了近20倍。2019 年我國科學家優化了嵌合體構建技術，實現了“豬猴嵌合體”，並存活1周。嵌合體仔豬各個器官嵌合率在千分之一和萬分之一之間，極大了提高了效率，異種嵌合向著臨床運用又邁向了堅實的一步。
儘管科學家的做了研究和努力來提高異種嵌合效率，但異種嵌合物種之間的前緣關係或者說進化關係的遠近極大了影響了嵌合體的形成。要確實提高人-動物異種嵌合體形成的效率，在與人相近的物種中，靈長類動物是一個理想的模型。遺憾的是，由於技術發展的限制，這方面是研究未取得突破性的進展。
科學技術的發展促進了人-猴嵌合體的誕生
2017年全新的人多能幹細胞培養體系的建立，為人猴嵌合體的構建打下了細胞學基礎；2019年猴胚胎體外培養20天體系的建立，為詳細研究嵌合體發育打下了技術基礎。融合兩項新技術，科學家們首次在人近緣物種——猴中探索了可能影響異種嵌合體發育的因素。研究發現人的細胞和猴胚胎細胞之間的互相作用影響了嵌合體胚胎的發育，並發現了可調控的潛在靶點基因。期待在未來的研究中可以通過調節這些信號通路來改善人類細胞在豬或其他遠緣物種胚胎中的嵌合度。從長遠來看，有希望利用異種嵌合體這一研究平台研究早期人類發育、設計疾病模型，而且希望找到篩選新葯的新方法，並期望在體外產生能用於臨床的器官。
總的來說，人-猴嵌合體胚胎的成功，一方面說明了近緣種能大大提高人類細胞的嵌合效率在4%左右，遠遠超過之前報道的人-豬，人-鼠嵌合胚胎。同時，也指出了種屬間的差異是異種嵌合的主要壁壘。該研究回答了異種嵌合細胞如何互作及發育程序差異如何調節等基礎科學問題，為解決異種嵌合效率低下等問題提供新的思路，對器官再生研究具有指導意義。
靈長類動物在生物醫學研究中必不可少
靈長類動物在親緣關係上與人最接近，其進化程度高，在組織結構、免疫、生理和代謝等方面與人類具有高度的近似性，靈長類動物應用於生物醫學研究已經有很長的歷史，是醫學研究中具有極高價值的實驗動物，應用價值遠超過其他種屬的動物。
疾病與基礎研究
靈長類動物是製作人類動物疾病模型最理想的實驗動物。如帕金森病（parkinson‘s disease，PD） 是一種常見的神經系統變性疾病，老年人多見，平均發病年齡為60歲左右。臨床表現為靜止性震顫，肌張力增高，運動障礙，姿勢異常等。雖然目前該病治病機制仍然不明。但是，早在1999年就發現暴露於1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（MPTP）的人出現了帕金森癥狀。目前通過MPTP建立的PD動物疾病模型被公認為最具代表性。注射MPTP的猴模型表現出與人類帕金森病極為相似的癥狀，如震顫，強直，運動障礙等表型。
瑞特綜合征（Rettsyndrome，RTT）是一種嚴重影響兒童精神運動發育的疾病，發病率為1/10000~1/15000，主要發生在女孩身上。6個月到18個月內開始出現癥狀，逐步喪失語言和行動能力，表現出運動失常、癲癇、呼吸系統障礙、自閉癥狀、手部刻板行為等。2017年建立RTT食蟹猴模型，表現出與病人高度相似而嚙齒類模型未出現的一系列病理和行為學特徵。如雄性胎兒在胚胎期均流產，雌性動物存在睡眠障礙、主動社交顯著減少、刻板行為增加、腦發育異常等。證明非人靈長類在神經系統疾病研究較嚙齒類有無法比擬的優勢，這將對未來更深入地開展神經系統疾病發病機理研究和治療有重要意義。
早衰症（Hutchinson-Gilford Syndrome，HGPS），全稱早年衰老綜合症，又稱兒童早老症，屬遺傳病，Hutchinson於1886年首先報告。身體衰老的過程較正常快5至10倍，患者樣貌像老人，器官亦很快衰退，造成生理機能下降。現未有有效的治療方法，只靠藥物針對治療。2020年建立HGPS食蟹猴證實，早衰猴模型較高水平再現早衰患者分子和臨床表徵。將有力推進人類早衰疾病機制和臨床治療的研究工作。另外，早衰症患者和正常衰老者共享大量分子表徵，因此對早衰症的研究也可為探索人類衰老秘密提供重要途徑。
靈長類動物幫助人類揭開發育生物學中的“黑匣子”，胚胎早期着床后發育是哺乳動物發育中的里程碑事件，然而這一階段也是胚胎髮育的“黑匣子”。這一階段發育的異常不僅會導致胚胎流產，也會對將來整個個體的生長與發育產生深遠的影響。由於倫理和技術的限制，對於人着床后胚胎髮育的研究幾乎不可能開展。2019和2020年實現了食蟹猴胚胎體外20天的培養和人胚胎體外14天的培養，系統解析了靈長類胚胎着床后特別是原腸運動時期重要的分子與細胞生物學事件，為破析胚胎髮育的“黑匣子”提供了重要技術支撐。
應用研究
靈長類動物為人類疾病治療帶來了新的希望。2021年有報道表明，通過注射MPTP建立與人類帕金森病極為相似獼猴模型，研究人員利用獼猴自體誘導多能幹細胞，再將其誘導分化為多巴胺神經前體細胞治療PD猴模型。結果發現，經過2年左右的時間后，接受自體移植的PD獼猴的運動障礙和抑鬱癥狀得到明顯改善，而且正電子發射斷層成像（PET）顯示其大腦中的移植腦細胞生長良好。該研究證明了自體移植療法對帕金森病的有效性，而且使用自體移植可以避免類似同種異體移植產生免疫抑制的風險，這也為帕金森病患者的治療帶來了新的希望。
靈長類動物在疫苗研發中功不可沒。自2019年12月至今，新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）已肆虐全球，造成全球1.5億多人感染。疫苗是終結新型冠狀病毒肺炎最有力武器。各國都投入巨大的人力財力資源來研發新冠疫苗，在這場新冠疫苗研發大戰中，最搶手的實驗動物不是大小鼠，而是猴。因為用猴進行疫苗在臨床前安全性和有效性的評價比其它物種更為可靠。不止新冠疫苗，還有埃博拉疫苗、傳染性非典型肺炎（SARS）疫苗等，背後的大功臣都是靈長類動物。
類似的基礎研究和應用研究例子數不勝數，由此可見現在國內國外生物醫學研究，從基礎到臨床，都離不開靈長類動物，它們代替我們承受了痛苦和死亡，我們每個人都是這些實驗動物的受益者。
倫理思考和討論
正因為非人靈長類與人類高度相似，且在生物醫學研究中的不可或缺，由此引起的倫理問題討論是必要的。就人-猴嵌合胚胎而言，研究更多的是在於了解人細胞在嵌合過程中發生了什麼，目的是為解決異種嵌合效率低下等問題提供新的思路，並不有悖倫理。首先人猴嵌合體胚胎絕不是人猴雜交。雜交的意思是通過基因融合，創造新物種。此次人猴嵌合胚胎是把猴子胚胎作為人幹細胞發育的環境，本質上並未發生生殖嵌合。就好比猴子的胚胎是個房子，猴子細胞是這個房子的主人，而人的細胞只是來猴子家做客的客人而已！其次，人猴嵌合胚胎，是利用體外延遲培養技術，整個實驗過程都是在體外進行，沒有進入動物體內。這一研究遵循了國際和國家的道德規範，法律和社會準則。要想實現利用動物產生人類器官，這一研究是值得鼓勵的。
科學技術發展的目標並不是要製造人-獸雜交的生物體，而是要探索生命發生、發育的奧秘，解決人類所面臨的疾病困擾和健康長壽。公眾對科學技術進步的認識有一個過程，科學家要向公眾解釋研究的意義，媒體也要客觀、正確地科學報道，消除公眾的誤解。最終，為了人口健康的需求，使倫理規定與科學技術發展和諧，促進人類社會發展。
作者：季維智（中國科學院院士） 牛昱宇 譚韜