用动物培育无排斥甚至无伦理问题的人体器官

　　日本文部科学省在2019年3月修改了有关规定，允许在动物体内培育人类器官的。日本东京大学和美国斯坦福大学联合团队的科学家计划利用诱导多能干细胞（iPS细胞）在老鼠体内培育人类胰脏。最终目标是利用人类细胞在动物中生成可供移植到人类的器官。

　　糖尿病、尿毒症、衰老等等因器官或组织功能发生退化或损坏的疾病都可以通过移植相应的器官（或组织）来挽救患者的生命，但是，由于器官来源严重短缺，苦苦等待的患者最终还是得不到器官而死亡，即使得到器官，也会因免疫排斥，全球每年因此失去了大量宝贵的生命。因此，如何获得没有排斥的器官是诺贝尔奖级课题。

　　免疫排斥分3种：1.超急性排斥反应，在器官移植后几分钟到一天内发生；2.急性排斥反应，在数天到二周左右发生；3.慢性排斥反应，数月至数年，免疫抑制剂也无法阻止慢性排斥。

　　先盘点一下目前几种来源的器官的实用性问题：

　　1、机械器官：包括心脏在内，人体中的每个器官除了机械功能外，还承担非常复杂的生化功能，机器是无法取代的，因此，机械器官只能作为应急使用。

　　2、同类异体器官：由于存在基因差异，会发生排斥反应，需要终身服用免疫抑制剂，这样会增加感染和肿瘤风险，而且很少能够使用终身。

　　3、基因改造的猪器官：虽然不会发生超急性和急性的排斥反应，但也会发生慢性排斥反应，在免疫抑制剂下最多只能存活1年多，因此也不是长远之计。

　　4、3D打印器官：因为天然器官的构造非常复杂，同一器官的不同部位的组织细胞的基因表达谱也有差异，以及打印用的种子干细胞的各种问题，目前还是个未知数，因此，离实际应用还很遥远。

　　5、利用器官支架培育器官：先用可降解的聚合物加工成器官形状的网格支架或洗去细胞的天然器官所剩下的器官形状的天然网格支架，然后把干细胞植入其中进行培育。由于目前还不能像天然器官那样营造一个适于器官重建所需的位置信息和微环境，因此，还无法培育出能够取代天然器官的器官。

　　1978年，Mintz把129-S系小鼠畸胎癌细胞，移体植到C57-b系小鼠的囊胚里，然后，再将囊胚移植到其它养母鼠的子宫内，使其进一步发育，结果产下了种系互相混杂的呈镶嵌花样的正常的小鼠，而且一切组织、器官都是由这两种小鼠的细胞组成的，据此提供了制作人-动物细胞嵌合体器官的思路。

　　2010年，日本东京大学的中内启光教授把一种经过基因改造的缺乏生长胰脏基因的小鼠，给这种小鼠的囊胚注射大鼠的iPS细胞，然后把囊胚移植到假孕的小鼠子宫中，发育长大，结果产下了除了神经，血管和某些间隙成分是小鼠的外，其余大部分都是由大鼠体细胞构成的功能正常的胰腺。但是，由于这些胰脏仍然含有一部分小鼠的细胞，用这种办法生产的器官移植给器官接受者还是会引起超急性和急性排斥反应。

　　2019年4月7日，日本的东京慈惠医科大学和日本住友制药公司的横尾隆教授团队宣布，已经开始使用人类的iPS细胞和猪胚胎培育人类肾脏。方法包括：首先把人类的iPS细胞分化成“肾脏基础细胞”（就是能够分化生长成肾脏的干细胞），然后把肾脏基础细胞注入猪胚胎中的的肾脏，为了增加肾脏中的人类细胞比例，猪胚胎的肾脏先用手术去除掉部分。由于这种方法培育的人-猪嵌合体肾脏含有猪的细胞，植入患者体内有可能感染来自猪的病原体和出现排斥反应，为此将采用无菌环境培育的特别的猪之外，还将使用免疫抑制剂，以及移植后将尽快通过药物杀死源自猪的细胞。慈惠医科大学横尾隆教授表示，“希望将来使其成为代替器官移植的治疗方法”。

　　使用以上2种方案制作的器官，移植后都会发生危险的超急性和急性的排斥反应，会使器官还没有发挥功能就衰竭死亡，因此，如何获得没有免疫排斥，可以终身使用的器官，是全人类的终极追求！

　　对猪的基因组进行改造，使人的免疫系统不会对猪器官发生超急性和急性的排斥反应，这项技术现在已接近初步临床应用了。据此，2011年我就提出和申请了制作低免疫排斥的用于器官移植的人-动物嵌合体器官的专利。专利申请号：2011102321268；2011104071680；2011104197640；2011102054905提出几种技术方案：

　　方案1：把来自人类中需要器官移植的患者的iPS细胞，注射到经过基因改造的不会发生超急性和急性的排斥反应的猪（或其它动物）的囊胚里，然后移植到子宫发育，产下含有人类细胞的嵌合体小猪。只要这些猪器官中含有1-2%的人类细胞（这种方案与美国和日本科学家设想生产含有纯粹人类细胞的动物器官不同，含人类细胞比例少的好处是技术上更容易实现，不会突破伦理道德界限），移植到患者的体内，并适当使用免疫抑制剂，免疫系统就会温柔地把猪细胞慢慢消灭掉，留下的空穴就会被猪器官组织中的人类成体干细胞通过细胞分裂和细胞分化填补上去，最后这个来自猪的人-猪细胞嵌合体器官就会变成全部由人类细胞组成的器官，由于基因与患者相同，接受器官移植的患者就可以无需终身服用免疫抑制剂了。目前遇到的麻烦是人-动物嵌合体的器官中的人类细胞比例过少等问题。例如，由中国科学院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、李伟和海棠课题组（助理研究员付锐、余大为、博士生任吉龙、李崇阳为共同第一作者）在Protein Cell杂志上发表了题为Domesticated cynomolgus monkey embryonic stem cells allow the generation of neonatal interspecies chimeric pigs的文章（原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s13238-019-00676-8）。研究了食蟹猴胚胎干细胞在猪中的嵌合能力，这篇文章说明用猪培养人-猪嵌合体器官技术离实用化还很远，主要障碍包括：（1）猪器官中猴细胞比例太少，只有0.001-0.0001；（2）猪器官中只有成熟的猴细胞，而没有检测到猴的成体干细胞；（3）胚胎植入成活率太低，4000个胚胎植入母猪只出生10只猪-猴嵌合体；（4）没办法养大到器官能够供移植的大小，因为出生后1周内全部死亡。因此，如何增加人-动物嵌合体器官中的人类细胞的比例等是个关键问题。设想的解决方向包括动物囊胚或胚胎弱化技术、基因改造技术或用人-灵长类动物嵌合体技术。

　　方案2：把来自人类中需要器官移植的患者的iPS细胞，注射到经过基因改造的既不会发生超急性和急性的排斥反应，又缺乏生长胰脏（或其它器官）基因的猪（或其它动物）的囊胚里，然后移植到子宫发育，产下大部分由人类细胞组成的嵌合体胰脏（或其它器官）的小猪。

　　我认为，上述的横尾隆教授团队用动物培育人体器官的技术方案，用来培育人类器官的猪等动物，也要使用经过基因改造的既不会发生超急性和急性的排斥反应的猪或其它动物，这样培育出来的器官即使含有动物的细胞，移植到人类体内，人类的免疫系统也不会对它发生急性和超急性排斥反应。

　　方案3：申请号：2011102054905，申请日：2011年7月10日的这个方案，和2019年4月7日，日本的东京慈惠医科大学和日本住友制药公司的横尾隆教授团队宣布的方案的技术路线差不多，就是把基因改造的低免疫反应的动物的肾脏、肝脏或胰脏等等，移植到患者体内，移植前或后向动物器官注射能够选择性杀死动物器官中的动物干细胞的药物（或先用射线照射动物器官，或不用射线照射也不用药物来杀死动物干细胞，只让人的免疫系统慢慢杀死动物干细胞），然后向动物器官注射能够分化生长成肾脏、肝脏或胰脏的人的一种干细胞或几种干细胞、祖细胞的混合细胞，以分化成器官中的各种功能的组织细胞，接下来在移植手术成功后适量使用免疫抑制剂，让人的干细胞逐渐替换掉动物的干细胞，再由人的干细胞分化成人的器官组织中的功能细胞，以替换掉动物的功能细胞，最终使动物的器官变成全部由人细胞组成。由于注射用的人干细胞基因与患者相同，因此不会发生免疫排斥。我这种方案与日本横尾隆教授团队区别的是，他们是把人类干细胞注入猪胎儿体内的器官中，我是把人类干细胞注射到已经移植到人体内的猪器官中，因此，横尾隆教授团队的方案有伦理问题，我的方案根本上没有伦理问题，而且我的方案用基因改造的低免疫反应的动物，不会发生超急性和急性免疫反应。我这个方案也和2011年10月18日一篇发表在《美国移植杂志》上题为“刺激干细胞可预防移植排异反应”的论文原也理一模一样的，但我申请日可能比他们收稿日还早。美国科学家的技术方案也可以说明我这种技术方案具有可行性。美国约翰.霍普金斯大学医学院外科副教授孙兆黎（音译）领导的科学研究团队，给一种小鼠（李维斯鼠）移植了另一种小鼠（黑刺豚鼠）的部分肝脏，他们给李维斯鼠标准量1∕10量的免疫抑制剂“他克莫斯”（tacrol imus）和一种干细胞动员剂“plerifaxor”，让李维斯鼠体内的干细胞进入黑刺豚鼠的肝脏，增殖和分化成肝细胞以替换掉黑刺豚鼠的肝细胞。他和同事发现，3个月内，移植肝脏中大部分的黑刺豚鼠细胞被李维斯鼠的细胞代替，13只小鼠有12只存活了180多天，且肝功能良好。

　　但是，美国孙兆黎（音译）研究团队在正常的小鼠上的成功，在器官衰竭的人类患者不一定能够成功，因为器官衰竭患者体内的干细胞的增殖和分化速度抵不上因自身免疫的破坏速度。当然，可以采用移植比患者体内干细胞更年轻的生长成器官的干细胞。生长成器官的干细胞的来源，可以由患者自身细胞诱导的iPS细胞分化，由iPS细胞分化生成的各种迷你器官也含有生长成各种器官的干细胞，或采用修复端粒等方法把患者衰老的自体干细胞逆转成年轻的干细胞。这些年轻化的干细胞也可以直接移植到患者体内自己的器官上，让衰老损坏的器官修复正常。

　　可喜的是，2020年12月28日，东京大学和斯坦福大学中内启光（Hiromitsu Nakauchi）领导的研究小组在Cell Stem Cell杂志上在线发表题为Generation of Functional Organs Using a Cell Competitive Niche in Intra- and Inter-species Rodent Chimeras的研究论文，作者证明通过CRISPR/Cas9产生Igf1r（胰岛素生长因子1）缺失的小鼠胚胎，营造了一种“细胞竞争微环境”（cell-competitive niche），大大增加了种内和种间啮齿类动物嵌合体中的供体细胞的比例。重要的是，Igf1r 缺失并不影响早期胚胎发育，终于让生产移植的嵌合体器官技术走近实用化[https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.11.019]。

　　希望国家能够利用我的方案成立研究团队进行研究，走在美日之前。-原创：黄必录，欢迎转载