全世界都面临着移植器官短缺的问题，而美国、西班牙科学家联合开展的一项研究通过囊胚互补技术孕育出了能在体内长出其他物种器官的嵌合体“杂种”，比如，让小鼠长出大鼠器官，甚至有望让猪长出人类器官。
这项研究由美国索尔克（Salk）生物学研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte带领团队开展。他们一步步把实验逐级推进，最终得到了非常有趣、又令人害怕、充满遐想的“怪物”：人和猪嵌合在一起的生命。
一、大鼠-小鼠嵌合体
研究人员首先将用荧光标记了的大鼠胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESCs）注入小鼠的囊胚，并将此胚胎植入到了代孕母鼠体内，结果得到了大鼠-小鼠嵌合体。这种“杂种”很多活到了成年，还有一只达到了2岁，而小鼠的整个生命周期也就只有2岁。这表明，异基因的大鼠细胞能满足小鼠的生理机能所需，不会有损小鼠寿命。
无论新生亦或年老的大鼠-小鼠嵌合体，很多组织和器官中都可见大鼠细胞。
大鼠、小鼠虽都是鼠类，但它们在进化树上却分属2支。1800万年前，小鼠细胞和大鼠细胞分道扬镳，这从它们解剖学上的不同也可以看得出——大鼠没有胆囊。而在大鼠-小鼠嵌合体中是有胆囊的，而且有意思的是，这个嵌合体胆囊的形成有来自大鼠细胞的贡献。这说明，原本在大鼠发育中被抑制了的大鼠干细胞的胆囊发生过程，在小鼠胚胎微环境中得到了解放。
二、让小鼠长出大鼠器官
在第1步研究中得到的嵌合体中，大鼠细胞的混杂是随机的。为了在特定器官实现选择性的嵌合，研究人员采用了囊胚互补的方法。
这种方法最早由Chen等于1993年报道（Proceedings of the National Academy of Sciences 1993;90:4528-4532），是从突变小鼠中获取囊胚，其中，对某特定细胞系的发育至关重要的一种基因存在缺陷。以往，基因突变的囊胚都是从现成的基因敲除鼠中获得，为了减少对现有突变品系的依赖，在这项新的研究中，Juan Carlos Izpisua Belmonte领导的团队选择用CRISPR-Cas9对受精卵中的靶基因进行编辑。
他们往小鼠受精卵中注入了Cas9的mRNA以及Pdx1单链向导RNA（single-guide RNA, sgRNA）,以便敲除小鼠的Pdx1基因。在小鼠的发育过程中，Pdx1基因对胰腺的发育非常关键，所有胰腺组织均来源于表达Pdx1的前体细胞。Pdx1纯合子突变（Pdx1-/-）小鼠没有胰腺，在出生几天后就会死去。研究人员在这种Pdx1-/-囊胚中注入了大鼠多能干细胞（pluripotent stem cells，PSCs），结果发现，在原本不可能长出胰腺的Pdx1-/-新生小鼠中，长出了由大鼠PSCs分化而来的胰腺，而且能表达α-AMYLAYSE，一种帮助消化碳水化合物的胰酶。更重要的是，这种由大鼠细胞构成的胰腺能让Pdx1-/-小鼠活到成年（＞7个月），而且维持正常的血糖水平。
Juan Carlos Izpisua Belmonte等随后又用类似方法研究了大鼠细胞是否能形成小鼠的心脏。他们用CRISPR-Cas9剪掉了Nkx2.5，该基因对于生命早期的心脏形成非常关键，其缺陷会导致严重的发育迟缓和心脏畸形。当他们把大鼠PSCs注入Nkx2.5-/-小鼠囊胚后，小鼠长出了正常形态的心脏，其中富含大鼠细胞，而且胚胎大小也恢复了正常。然而，尽管如此，这类大鼠-小鼠嵌合体却还是无法存活，起码Juan Carlos Izpisua Belmonte等就没能得到这样的存活嵌合体。
随后，他们又研究了其他器官的嵌合情况，比如眼睛。像前面的方法一样，他们给受精卵注入了Cas9 mRNA和sgRNAs，这次他们要剪掉的是Pax6，该基因负责眼睛的发生。当用大鼠PSCs与Pax6-/-小鼠囊胚互补后，新生Pax6-/-小鼠形成了嵌合的眼睛，其中富含大鼠细胞。
总之，无论是胰腺、心脏、眼睛，还是其他器官，研究人员都能在小鼠身上利用大鼠干细胞“种”出来！
三、鼠与猪无法嵌合
啮齿动物的幼稚PSCs与非啮齿类动物是否能形成嵌合体呢？为此，Juan Carlos Izpisua Belmonte等把大鼠的ESCs注入了猪的囊胚，随后将之移植到了代孕母猪体内。除了大鼠ESCs，他们还用到了另一种细胞系——小鼠诱导多能干细胞，跟上面一样进行了囊胚互补。
研究人员在猪胚发育21天～28天的时候终止妊娠，取出了猪胚，其中26个胚胎是囊胚期被注入小鼠iPSCs的，19个胚胎是被注入大鼠ESCs的。然而，研究人员并未在这些胚胎中检测到任何一种鼠类细胞的痕迹。
该研究提示，尽管啮齿动物PSCs能在啮齿类物种之间形成嵌合体，但却不能与非啮齿类，比如猪嵌合。
四、人跟谁嵌合？牛or猪？
像啮齿动物PSCs一样，幼稚的人多能干细胞（human pluripotent stem cells，hPSCs）也可能用于“种间嵌合”。迄今为止，所有已公布的这类尝试都只限于把hPSCs与小鼠嵌合。然而，毕竟人与鼠之间相去甚远，无论是胚胎着床后的早期发育、胚胎大小、妊娠时间还是发育速度都完全不同，这不仅使得嵌合的效率极低，而且，这样的人-鼠嵌合研究究竟意义何在也有待商榷。因此，扩大与hPSCs嵌合的物种势在必行，然而目前却很少有这类实验。Juan Carlos Izpisua Belmonte等填补了这项空白，他们检测了hPSCs在两种有蹄动物——猪和牛中的嵌合能力，所用到的hPSCs为各状态下的人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cells，hiPSCs）——幼稚（naive）、中间（intermediate）、始发态（primed）。
 hiPSCs与囊胚内细胞团（inner cell mass，ICM）整合在一起的能力是反映嵌合能力最早的指标之一。因此，在将hiPSCs注入猪和牛的囊胚后，研究人员评价了种间嵌合ICM的形成。
牛受精卵形成7天后，分别被注入不同状态的hiPSCs，每个囊胚注入10个hiPSCs。随后，继续培养2天。结果显示，幼稚和中间hiPSCs都能整合进牛ICMs并存活下来，而始发态hiPSCs则不行。
同样，每个猪的囊胚也被注入10个hiPSCs，体外培养2天。与牛的结果类似，中间hiPSCs存活得更好，形成含人细胞囊胚的比例更高。
研究者注意到，幼稚和中间hiPSCs在牛囊胚的嵌合表现优于猪囊胚。这提示猪囊胚与牛囊胚的内环境存在不同，牛囊胚所提供的环境更适于hiPSCs的整合及存活。
五、让猪长出人类器官
hiPSCs整合进ICM只是嵌合体形成的第一步，而最终是否能为再生医学提供“可移植器官”则还要看互补囊胚着床后的发育。于是，Juan Carlos Izpisua Belmonte等进一步研究了与ICM整合良好的幼稚和中间hiPSCs在着床后发育过程中的表现。
研究人员选择了猪作为实验动物，因为猪与牛相比在实验中有一些优势：它们一胎产多仔，着床后的胚胎多；而且由于与人类在器官生理、大小和解剖上有诸多相似之处，它们常被用作转化模型。
 研究人员先在体外将猪的受精卵培养到了囊胚阶段，获得了2181个质量不错的囊胚，随后往每个囊胚的囊胚腔中注入3个～10个hiPSCs，经过体外培养后，2075个质量仍不错的胚胎被植入到了代孕母猪体内。41头代孕母猪每头被植入了30个～50个胚胎，其中18头母猪成功怀孕。在孕21天～28天，研究人员得到了186个胚胎。相比于对照组17个人工授精的胚胎，这186个胚胎中半数表现为发育迟缓，尺寸较小。
研究人员在67个胚胎中找到了被荧光所标记的hiPSCs的身影，其中17个胚胎有着正常大小和形态。相比之下，没有发现荧光标记的119个胚胎中，绝大多数（82个）都表现出正常大小。这提示我们，hiPSCs可能会干扰猪胚的正常发育。
 研究人员还发现，幼稚hiPSCs在猪胚中的嵌合效率极低，在最终得到的猪胚中少有发现。而一种中间hiPSCs表现出了更佳的嵌合能力，在人-猪嵌合胚胎中分化出了数种细胞类型。
编者按
Juan Carlos Izpisua Belmonte等开展的这项研究最终得到了嵌合有人类细胞的67个猪胚，这种胚胎如果生下来，可以想象将是猪和人嵌合在一起的“怪胎”!
再加上他们利用CRISPR-Cas9定向地让小鼠长出了大鼠的器官，这些消息意味着有望在猪身上培育出人的器官！以后，我们或许可以开个农场养一批猪，需要肝脏就在猪身上种一个肝脏，需要肾脏就在猪身上种一个肾脏，解决现在器官短缺的问题。
这个故事可能是耸人听闻的，但是给我们很大的想象空间，可能也是敲开未来医学的一块敲门砖。
相信不久，科学家就会用基因剪刀把猪某种脏器生长所需的关键基因剪掉，把人的干细胞注入基因缺陷的猪囊胚，从而得到人的肝脏、肾脏……Organ-farm（器官农场）也就不是科幻了。
据称，中国有30万人在等待器官移植，而中国每年只有1万到2万个供体。还在等待移植器官的患者们，请相信科学，坚持活下去，等到种出器官的那一天！
(作者：白蕊)
参考文献：Cell 2017;168:473-486