細胞間的“秘密戰(zhàn)爭”，人造器官能否跨越這個難關

出品：科普中國

制作：器官重建與制造科普團隊
監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心

競爭，似乎是貫穿于生命演化進程中最為重要的主題。

早在1859年，達爾文就發(fā)表著作《物種起源》，其核心思想之一就是“物競天擇”，系統(tǒng)闡釋了生物個體間存在競爭，能適應生活者才會被選擇存留下來。

（圖片來源：澎湃新聞）

生物個體之間存在競爭，那對于組成生物個體最基本的單位——細胞而言，是否一樣存在著競爭呢？如果存在，不同物種之間的細胞競爭又是什么樣的呢？

早在1974年，西班牙科學家最早發(fā)現(xiàn)了“細胞競爭”這一生物學現(xiàn)象[1]。

科學家將果蠅作為研究對象，通過遺傳學操作讓一部分果蠅的細胞產(chǎn)生基因突變，并將其與正常的果蠅細胞一起培養(yǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，這些基因突變的果蠅細胞很快就會死亡，被正常的果蠅細胞所取代。另一個有趣的現(xiàn)象是，這種細胞間的競爭只會存在于細胞混合的培養(yǎng)環(huán)境中，如果某些突變細胞構成了組織，這些組織就不會被正常細胞或組織所取代。

（圖片由作者提供）

如今，科學家正在利用“細胞競爭”的原理，嘗試解決以往很難取得突破的科學問題。最近，《自然》雜志在線發(fā)表了一項最新研究成果中，研究者發(fā)現(xiàn)在小鼠、大鼠、獼猴、牛和人類等多種哺乳動物干細胞之間也存在著一定的細胞競爭的現(xiàn)象?？茖W家通過分析并調控了物種之間影響干細胞競爭的關鍵因子，成功獲得了人-鼠嵌合的早期胚胎，這一成果可能為人類的器官再造帶來新的希望。

（圖片來源：Nature官網(wǎng)）

（圖片由作者提供）

細胞競爭？人造器官？怎么就從普遍生物現(xiàn)象說到了人類器官培養(yǎng)了呢？這是不是省略太多了？

各位朋友請稍安勿躁，讓我們慢慢說道，這就要從這干細胞的胚胎嵌合技術說起。

胚胎嵌合技術：讓豬的體內長出人的器官

干細胞是一類具有較高發(fā)育潛能的特殊細胞類型，以胚胎干細胞為例，他們可以從發(fā)育早期的胚胎中分離出來，具有可以分化為個體的幾乎全部細胞、組織和器官的能力。

跨物種間的干細胞大亂斗

科學家們發(fā)現(xiàn)將小鼠胚胎干細胞注射到另一個受體囊胚中，干細胞可以與囊胚的內細胞團細胞共同生長、發(fā)育，最終形成同時包含供體干細胞和受體胚胎兩種細胞的嵌合體小鼠（Chimera）。

僅利用小鼠的胚胎干細胞就可以實現(xiàn)小鼠的胚胎嵌合，如果有了多個不同物種的干細胞之后就更為有趣了。2010年，日本科學家利用小鼠、大鼠兩種嚙齒類動物的干細胞開展異種嵌合實驗，他將大鼠的iPS細胞注入到一種Pdx1基因敲除的小鼠的囊胚中（該基因敲除后，小鼠會因胰腺缺陷死亡），成功地在小鼠體內獲得了來源于大鼠的胰腺器官，這是首次在異種動物體內獲得完整的功能器官[2]。

(圖片由作者提供)

在隨后的研究中，科學家將小鼠、大鼠的干細胞和基因修飾動物結合，成功地獲得了胸腺、腎臟等多種器官，并證明了所獲得的異種器官具有正常的生理功能。

利用干細胞的發(fā)育潛能，通過異種嵌合技術在動物體內實現(xiàn)異種組織、器官再造，理論上能夠從非人類物種身上獲得完全來源于人類自身干細胞的組織或器官，使得干細胞異種器官再造有望成為人類移植器官的新來源。

通過異種嵌合技術在動物體內實現(xiàn)異種組織、器官再造構想圖（圖片由作者提供）

近年來，科學家在干細胞的異種嵌合領域獲得了一定的突破。例如：2013年，美國科學家通過改進人胚胎干細胞的培養(yǎng)體系成功實現(xiàn)了人-小鼠早期嵌合[3]；2017年，中國科學家通過提高人胚胎干細胞的抗凋亡能力，提高了人胚胎干細胞的小鼠胚胎嵌合能力[4]；2019年，靈長類動物猴-豬的嵌合也獲得了一定的突破[5]。雖然胚胎嵌合研究獲得了很多成果，但目前嵌合效率低是異種嵌合領域亟待解決的瓶頸問題。

科學家總結胚胎嵌合效率低主要可能有以下幾個原因：發(fā)育時間不匹配、供體細胞競爭力不足、受到進化距離的影響。進化距離較大的物種，發(fā)育模式差異較大，難以形成嵌合體或嵌合比例很低等等。

跨物種間的干細胞大亂斗

2021年1月28日，華人科學家Wu Jun在Nature在線發(fā)表題為“Cell Competition Constitutes a Barrier for Interspecies Chimerism”的文章，該研究首次揭示影響物種間嵌合的主要原因之一是細胞競爭，并闡明了細胞競爭的機制[6]。

科學家們首先嘗試了大-小鼠（嚙齒類）、人-猴（靈長類）和牛等不同物種的多能性干細胞進行共培養(yǎng)，他們以每平方厘米存活的細胞數(shù)量為指標，判斷細胞凋亡程度。

科學家驚奇的發(fā)現(xiàn)不同物種的多能干細胞之間存在細胞競爭的現(xiàn)象，例如：在人-鼠的多能干細胞培養(yǎng)中，第3天時，人的多能干細胞逐漸凋亡，小鼠的多能干細胞持續(xù)增長，在生長第5天，人的多能干細胞就只有少數(shù)幸存。

不同物種細胞共培養(yǎng)（圖片來源：Nature）

然而，這些存活下來的人類多能干細胞和單獨培養(yǎng)的人類多能干細胞有什么區(qū)別呢？

科學家們又做了測序分析，測序結果發(fā)現(xiàn)人的多能干細胞中一個被稱之為NF-kappa B信號通路被激活，說明上述信號通路被激活會促進細胞凋亡，于是科學家就大膽嘗試，如果在正常細胞中調控這些基因，會不會對細胞凋亡產(chǎn)生影響？

所以科學家們通過敲除表達抗凋亡基因Bcl2或者NF-kappa B信號通路中一些關鍵的基因，從而抑制細胞凋亡。

結果令人驚喜！研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過基因修飾的人類多能干細胞可以在共培養(yǎng)的環(huán)境中生存，細胞競爭現(xiàn)象消失了！在體內實驗中，經(jīng)過胚胎注射，異種嵌合的陽性比率升高并且可以發(fā)現(xiàn)供體細胞參與胚胎三胚層分化。

進過基因修飾的人類干細胞培養(yǎng)過程

（圖片來源：Nature）

不僅如此，研究人員還嘗試將不同物種處于另一種狀態(tài)的干細胞——始發(fā)態(tài)（primed）干細胞共同培養(yǎng)，比較他們之間的細胞競爭力，大小鼠之間和人猴之間的干細胞競爭力相似，未發(fā)現(xiàn)明顯的細胞競爭現(xiàn)象。

但大小鼠（嚙齒類）、人猴（靈長類）和牛的始發(fā)態(tài)干細胞之間相對競爭力狀態(tài)是不同的，在共培養(yǎng)體系中，這種競爭力狀態(tài)的不同會導致細胞競爭的發(fā)生，競爭力強的會誘導競爭力弱的凋亡，研究人員認為這種競爭力狀態(tài)似乎跟物種間進化距離密切相關。

進化樹上進化距離與競爭力狀態(tài)的不同

（圖片來源：Nature）

如果說原先細胞競爭機制在異種嵌合中像個“黑箱”，那么這一次的研究成果就是一窺箱內秘境的一步。該研究發(fā)現(xiàn)不同物種的干細胞之間在特定的階段會發(fā)生細胞競爭現(xiàn)象，并揭示了細胞競爭的機制，為深入了解影響異種嵌合效率的壁壘提供了理論基礎。當異種細胞進入到受體中遭受到的細胞競爭可以通過基因技術進行有效控制時，相信異種嵌合技術將會再上一個臺階！

（圖片來源:veer圖庫）

之所以人造器官，異種嵌合技術成為關注焦點，與目前器官移植缺口巨大，器官捐獻量不足，配型較難等問題息息相關。每年等待器官移植的患者有30萬，但器官供需比只有1:30，只有較少的病人能夠進行器官移植。人造器官是解決器官移植缺口問題最有前景的途徑之一，而目前器官再造有體外器官打印，類器官，異種嵌合等方式。

細胞競爭原是普遍存在的生物現(xiàn)象，卻在不斷求真的科學探索前成為了可能解救數(shù)萬人生命的理論基石?？茖W的進步讓許多神話故事成為現(xiàn)實，例如：千里眼、順風耳是手機和視頻通話的遠古想象、嫦娥奔月傳說反映了月球探測的愿望……曾經(jīng)，嵌合體（Chimera）是《荷馬史詩》中的怪獸，但是在不遠的將來，科學進步的發(fā)展會使得嵌合體可能成為解決人類器官短缺的“神獸”，讓更多生命獲得再次擁抱世界的機會！

參考文獻：

[1] Amoyel M , Bach E A . Cell competition: How to eliminate your neighbours[J].

Development, 2014, 141(5):988-1000.

[2] Kobayashi T , Yamaguchi T , Hamanaka S , et al. Generation of rat pancreas in

mouse by interspecific blastocyst injection of pluripotent stem cells.[J]. Cell,

2010, 142(5):787-799.

[3] Derivation of novel human ground state naive pluripotent stem cells.[J]. Nature, 2013, 504(7479):282.

[4] Wang X , Li T , Cui T , et al. Human embryonic stem cells contribute to embryonic and extraembryonic lineages in mouse embryos upon inhibition

of apoptosis[J]. Cell Research, 2018, 28(1):126-129.

[5] Fu R , Yu D , Ren J , et al. Domesticated cynomolgus monkey embryonic stem cells allow the generation of neonatal interspecies chimeric pigs[J]. Protn & Cell, 2020, 11(2).

[6] Zheng C , Hu Y , Sakurai M , et al. Cell Competition Constitutes a Barrier for Interspecies Chimerism[J]. Nature, 2021:1-8.