中外科学家合作研究世界首个人猴嵌合体胚胎诞生

 4月15日，省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室/昆明理工大学灵长类转化医学研究院季维智院士团队、谭韬、牛昱宇、代绍兴课题组与美国Salk研究所合作在Cell杂志上发表了最新研究成果“Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo”。

研究背景

全球每年大概有200万人亟待器官移植拯救生命，但器官来源主要依靠捐献，缺口巨大。现在主要的解决途径有三条：异种器官移植(Xenotransplantation)，异种嵌合(interspecies chimaeras)，类器官 （organoid）及3D打印(3D bio-printing)等。但不同策略存在不同的问题，例如异种器官移植存在免疫排斥及伦理问题；类器官及3D打印的方法可能存在器官功能不全，不能形成完美的可移植器官。虽然异种嵌合也存在着嵌合效率低下等问题，但可能是将来会产生突破的一个方向。对器官再造还需要对胚胎、器官发育基本理论和关键技术的突破。

近年来大动物中的异种嵌合取得了一系列的突破性进展， 例如Juan Carlos Izpisúa Belmonte和吴军等人实现了人干细胞在猪早期胚胎中的嵌合。中国科学院动物研究所和中国科学院干细胞与再生医学创新研究院周琪院士、李伟和海棠研究团队首次拿到了食蟹猴-猪嵌合体 。这些研究为下一步嵌合体的研究带来了新的方向，比如异种之间进化差异在嵌合体中如何互相影响，细胞之间互做、通讯及竞争关系等等。

研究成果

 谭韬等研究人员结合之前建立的猴胚胎体外培养系统，评估了人扩展多能性干细胞（hEPS） 在食蟹猴中的嵌合能力。揭示了hEPS可以嵌合进入食蟹猴胚胎，并可以伴随着胚胎发育进入原肠运动，表达中胚层、内胚层的marker基因；hEPS细胞很难在食蟹猴胚胎中分化为滋养层细胞，而较容易分化为上胚层（epiblast，EPI）细胞，这一发现与hEPS细胞人鼠嵌合体实验存在一定的差异。

通过进一步结合单细胞RNA测序等技术，研究人员发现hEPS随着发育的进行，从表达特征上逐渐与受体食蟹猴胚胎细胞变得相似，反之亦然。通过细胞互作分析，揭示了人猴在诸如EPI细胞之间存在的特异的互作关系，例如FGF5-FGFR4，同时受体猴胚胎细胞本身之间的细胞互作也增强了，主要涉及PI3K-Akt和MAPK等信号家族；hEPS在嵌合体胚胎中的发育进程显著慢于正常发育的人和食蟹猴胚胎。同样可能与PI3K-Akt和MAPK信号通路的改变有密切关系。

这研究回答了异种嵌合细胞如何互作及发育程序差异如何调节等基础科学问题，为解决异种嵌合效率低下等问题提供新的思路，对器官再生研究具有指导意义。

延伸阅读：

世界首个人-猴嵌合体胚胎诞生

 2021-04-16   

中间为人-猴嵌合胚胎（红色是人源细胞）

嵌合体的英文是Chimera，原指希腊神话中一种狮头、羊身、蛇尾的怪物。4月15日，中外科学家团队在《细胞》上发表论文，宣布构建了世界首个人-猴嵌合体胚胎，即同时具有人源细胞和猴源细胞的胚胎。

在现实中，科学家为何制造这种拼图式的“怪物”？“一些朋友听到我们的工作后，常常惊呼‘太科幻、太可怕’。”在接受《中国科学报》采访时，论文第一和通讯作者之一、昆明理工大学教授谭韬有点哭笑不得，“但这真不是科学家的恶趣味，而是很有现实意义的研究工作。”

远邻为何不如近亲

全球每年约200万人亟待器官移植拯救生命，但器官缺口巨大。“很多病人在等待中去世，令人痛惜。”谭韬说。解决这个问题的思路有3种：异种器官移植、类器官及3D打印、异种嵌合体。异种嵌合体的理想前景就是，让动物身上长出真正可供移植的人类器官。

哪种动物适合为人类养器官？科学家首先想到的是猪。“猪的器官大小、发育速度、养殖成本都很合适，而且不像灵长类动物那样涉及严峻的伦理问题。”谭韬解释。

然而，过去的研究显示，猪、大小鼠等与人类亲缘关系较远的胚胎中，人类细胞的嵌合度非常有限，几乎不可能形成真正的人类器官。

美国西南医学研究中心助理教授吴军等人于2017年1月宣布成功培育出首个人-猪嵌合体胚胎，并在猪体内发育了3~4周。但其嵌合效率很低。“每10万个猪细胞中可能只有不到1个人类细胞。”吴军说。

他们试图探讨其中的机制。今年年初，吴军联合国内多个研究团队，报道了一种现象：小鼠早期胚胎利用细胞竞争机制“杀死”外来的人类干细胞，导致人-鼠嵌合胚胎的嵌合率低下。这种现象与物种亲缘关系显著相关，亲缘关系较近的物种如大小鼠之间、人猴之间，就不存在明显的干细胞竞争。

在中国科学院院士季维智的带领下，谭韬、牛昱宇、代绍兴等人和美国索尔克生物研究所的胡安·卡洛斯·伊兹皮苏亚·贝尔蒙、吴军等人进行了合作，希望通过研究人类细胞在早期灵长类胚胎中的嵌合过程，找到提高其在远缘物种中嵌合效率的方法。

人猴细胞的交流暗号

研究人员将人扩展多能性干细胞（人EPS细胞）注射到食蟹猴150余个早期囊胚中，利用新开发的猴子胚胎体外培养体系，使胚胎存活时间达到20天。这是目前猴子胚胎体外培养能达到的极限时长。

此时，嵌合体胚胎已经进入了原肠运动时期，也就是囊胚开始出现外胚层、中胚层和内胚层的分化。在3个胚层中，研究人员都观察到了嵌合现象。这些胚胎并未进行体内移植实验，由此规避了一些可能存在的伦理争议。

据统计，人类细胞在食蟹猴胚胎中的嵌合效率约为4%，远超过之前的人-猪嵌合胚胎。

“我们意识到，不同物种之间的嵌合过程的确存在很大不同。比如人EPS细胞很难在食蟹猴胚胎中分化为滋养层细胞，而较容易分化为上胚层细胞。这一现象与之前的人-鼠嵌合体实验存在明显差异。”谭韬说。

更令人惊叹的是，随着人细胞的注入，猴胚胎细胞在表达特征上变得像人细胞，同时人细胞也发生了相似的转变，变得像猴细胞。相较于人胚胎的正常发育过程，人-猴嵌合体胚胎的发育进程变慢了。

　“这很有趣。”吴军说，“这表明人细胞和猴细胞虽然在早期发育过程中存在差异，但细胞之间可能存在跨物种细胞协同，从而有助于人细胞在猴胚胎中的分化和存活。”他们进而筛选出许多可能与此有关的细胞信号通路，并期待在未来的研究中，通过调节这些信号通路来改善人类细胞在猪或其他远缘物种胚胎中的嵌合度。

“这项工作为通过异种嵌合实现器官再生提供了理论证据，也指出了种属间的差异是异种嵌合的主要障碍。”未参与这项研究的中国科学院动物研究所研究员李伟表示，“如果能够借此更好地理解导致异种嵌合成功与失败的主要调控机制，有可能为异种嵌合实现器官再生提供新的理论指导和技术策略。”

强强联合嵌合人猴

首个人-猴嵌合体胚胎的诞生，离不开近年来相关领域的技术进步，以及国内科研机构的布局和积淀。

20世纪70年代，哺乳动物的种间嵌合体开始出现，当时首先是在啮齿类动物身上，被用于研究早期发育过程。去年，季维智团队研发出使猕猴胚胎在体外长时间存活并生长的新技术，使这项新研究成为可能。

这项工作中使用的人EPS细胞，来自北京大学教授邓宏魁课题组于2017年发表的新型多能干细胞系。与常规的人多能干细胞（hPS细胞）相比，它的嵌合能力和发育潜能更高。

此前，人与灵长类动物的嵌合研究受技术、经费、实验条件和伦理规范所限，开展得相对较少。昆明理工大学于2014年建立的灵长类转化医学研究院在灵长类动物生殖发育研究上积累了丰富经验，胡安·卡洛斯和吴军是嵌合体研究领域的知名学者。“双方优势互补让人-猴嵌合体胚胎成为可能。”谭韬说。

该研究下一步的重点是更详细地评估参与种间通信的所有分子途径，并找出对发育过程至关重要的途径。从长远来看，研究人员希望，不仅能利用嵌合体研究早期人类发育、设计疾病模型，而且找到筛选新药以及产生可移植细胞、组织或器官的新方法。