近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院(以下简称“广州健康院”)在国际权威学术期刊《Cell　Stem　Cell》(《细胞干细胞》)发表封面研究论文，他们在猪体内成功培育出人源中期肾脏，是世界范围内首次报告人源化功能器官异种体内培育案例。

这是在中国科学院“器官重建与制造”战略性先导科技专项的支持下，围绕人体肾脏的异种再生这一世界级难题，由广州健康院的赖良学课题组、潘光锦课题组以及Miguel　A.　Esteban课题组组成联合攻关团队，自2017年中旬起开展了5年多的探索。

也正是这一年，1996年出生的女孩王教伟来到广州健康院进入赖良学课题组，她是上述论文的第一作者之一。

为何攻关

每年等待移植患者达30万 肾脏是最为短缺的供体器官

“相较于其他的器官来说，肾脏的临床需求量更大。”王教伟说道。

来自黑龙江的王教伟从小喜欢钻研学术，高中时期对生物学科有极大兴趣，本科选择了生物科学专业，毕业后更是毫不犹豫地选择了从黑龙江到广州读研攻博，“广州健康院这里给我们配备了健身房、体育场地，除了运动，大家基本上都是在搞研究。”

2017年，王教伟刚来到广州健康院做本科毕业设计，恰逢该项研究项目启动。

据不完全统计，我国每年开展器官移植手术的患者2万多例，而因终末期器官功能衰竭等待移植的患者高达30万，供需缺口巨大。其中，肾脏移植需求增长，据国家卫健委公布，2022年1-10月，肾脏移植10734例，比2021年同期增长了10.53%，另有数据显示，近年来，广东省每年肾脏移植等待者数量至少在5000例以上。

器官移植已成为多种终末期疾病的唯一有效治疗手段，供体器官严重缺乏却限制了这一疗法在临床上广泛应用。而且对于终末期肾病患者，肾脏移植是可行情况下的首选治疗方案，相比腹膜或血液透析，肾移植在长期存活率、生存质量和治疗成本等方面均有明显优势。

“对于无法得到肾源的终末期肾脏疾病患者，他们只能通过透析治疗来维持自己的生命，有好多患者在等待肾源的漫长过程中失去了宝贵的生命。而通过血液透析和尿液透析来维持生命的患者，则承受着高昂的医疗负担，并且治疗效果也不会比移植一个新的器官效果更好。”王教伟说道，相对于直接移植自体干细胞，器官移植有自身组成的结构单元，相对来说效果比较好。

但供体器官严重缺乏限制了器官移植在临床上广泛应用，干细胞的器官异种动物体内培育可能是未来解决这一问题的理想途径。人通过这种途径获得的人源化器官，供体细胞来源于患者自体，不仅将具有更全面的细胞类型和更完善的器官结构与功能，而且能有效避免免疫排斥等问题。

不过，这类技术还存在诸多障碍——人源多能干细胞的分化能力不足，在异种动物胚胎内的生存能力低下、大动物模型提供的器官缺陷生态位难以形成、异种胚胎嵌合补偿技术体系不完善等，导致从猪体内培育人体器官的设想一直没有成功。

在经过调研后，联合攻关团队想首先解决供体器官最为短缺的肾脏，挑战攻关从猪体内培育人体肾脏器官。

关键突破

在猪胎儿中肾部位观测到一大团荧光 他们在猪体内成功培育人源中期肾脏

2021年12月20日，从开始攻关至今5年多，王教伟特别记得这一天。

天微亮，广州科学城内，还没完全习惯南方的阴冷冬天的王教伟，从广州健康院的研究生院宿舍出发，幸而走了两分钟左右就能到实验室，将仪器调试好，期待着下午。

按照“3-4周胎龄内终止妊娠”的相关伦理规定以及国际惯例，这天，1头25天前移植了猪胚胎的代孕母猪要被终止妊娠，“这次给代孕母猪子宫做B超检测，看到胎儿存活情况特别好。”

DsRed荧光标记是为了便于直观地检测细胞，研究人员在人干细胞中定点敲入了表达DsRed荧光蛋白基因，从而让干细胞表达红色荧光。因此，当能从代孕猪胎儿的中肾部位观察荧光信号时，就说明表达红色荧光蛋白的人源细胞参与了肾脏的形成。

下午5点，代孕猪胎儿被送来实验室，攻关团队在做好一切准备后，将胎儿放在荧光显微镜下观测，当看到肾脏部位那里有一大团红色荧光，“好激动，起了鸡皮疙瘩。”

激动之余，本着科研人员的“严谨态度”，科研团队想马上着手其他的检测方法，因为单一的荧光不足以说明它是否真的是人供体细胞来源，还是要结合其他很多种检测的手段。

在随后大半年的时间里，不只是做25天的培育，还延长到28天的时候才终止妊娠。重复出现了红色荧光，这意味着，他们在猪体内成功培育出人源中期肾脏，人源化功能器官异种体内培育成功了。

最终，共获得2只胎龄25天、3只胎龄28天的中肾嵌合胎儿，这些胎儿的中肾内人源细胞占比最高可达70%，人源细胞参与形成的中肾小管所占比例最高可达58%。

培育原理

人体干细胞注入器官发育缺陷猪胚胎 再将嵌合胎儿移植到代孕母猪

人源化功能器官异种体内培育的操作流程，简单说就是将人的干细胞注入到器官发育缺陷猪胚胎中，再将嵌合胎儿移植到代孕母猪，得到嵌合胎儿。

将人的干细胞注入到猪胚胎，需要攻关三个阶段，“首先要保证这个供体细胞可以存活，改造供体细胞，增强细胞的竞争能力，同时提高干细胞的分化能力。”王教伟进一步解释道，下一步就是利用基因编辑工具，在猪胚胎中敲除两个肾脏发育的关键基因，产生空缺的肾脏生态位，干细胞就会在猪胚胎里往肾脏器官进行分化发育；最后就是在优化了嵌合胚胎体系，以及对移植代孕母体时期的探索后，将人的干细胞注入到猪胚胎成功得到嵌合胎儿。

王教伟则是负责在猪胚胎敲除两个与肾脏发育的关键基因后，构建器官缺陷猪模型；优化胚胎补偿技术体系，包括供体人细胞注射时期、注射数目、嵌合胚胎培养基等，从而获得高质量的嵌合胚胎用于移植；以及体外的嵌合囊胚、体内的嵌合胎儿中人源细胞贡献情况及分化情况的检测等。

“对我来说每一步都很困难。”自2017年开始，5年多的时间，王教伟已记不清失败过多少次，经常会被实验结果控制喜怒哀乐，某一次实验失败了，这一天心情就会特别沮丧，尤其是在前期摸索阶段，“比如说，我刚开始操作胚胎实验，卵很小，需要在显微镜下去操作，操作还不太熟练，总是把卵给弄丢，那时候就感觉自己怎么这么笨，一天都很崩溃很沮丧。”

技术创新

开发新型干细胞培养体系 优化人-猪胚胎补偿技术

这5年的时间，不只是对于刚读研的王教伟，对于整个科研团队都在“摸着石头过河”。

在2021年12月20日之前，联合攻关团队做过多次实验，得到的嵌合胎儿都退化了，不是正常的胎儿形态。

“一枚含有人源细胞的嵌合胚胎在代孕母猪体内发育成为一个没有退化的胎儿，是比较困难的。”据介绍，“我们首先需要将正常的猪胚胎通过体细胞核移植技术，构建多基因修饰的肾脏发育缺陷猪胚胎，经过这个过程获得克隆猪的效率本身就很低。加之，我们还要对这些胚胎再注射一次人源细胞，并且还要将嵌合胚胎在体外培养24小时。虽然我们会挑出状态比较好的胚胎用来移植，但是哪怕是这样，在移植到代孕猪后，可能也会有大部分胚胎发育不下去，所以最终获得的胎儿数目是很少的。13头代孕猪移植了1800多个胚胎，这也是为什么最后只在两头里获得5个胎儿。”

潘光锦课题组多年来致力于人干细胞异种嵌合障碍机制的研究，近年来发现了人干细胞在异种胚胎发生凋亡是限制人干细胞异种嵌合的重要机制，并发现MYCN能通过增强干性及细胞竞争有效促进人干细胞的异种嵌合，首先实现小鼠胚胎异种嵌合分离获得了有一定功能的人源血液细胞，该成果首次从异种嵌合胚胎成功分离到活的具有一定功能的人源细胞。

与此同时，Miguel　A.　Esteban课题组开发了一种新型干细胞培养体系，能够将人干细胞的分化能力提高到8细胞阶段的卵裂球状态。

王教伟所在的赖良学课题组借助新型基因编辑工具，结合体细胞核移植技术及胚胎显微操作技术，通过两轮基因修饰，敲除了调控输尿管芽分支的SIX1基因以及后肾间质发育SALL1基因，构建了器官生态位更为充足的中肾发育缺陷、后肾完全缺失的肾脏缺陷猪模型，为人体肾脏在猪体内的发育创造了适宜的生态环境。

研究团队在赖良学的带领下，对人-猪胚胎补偿技术体系进行了全方位的优化，最终确定了理想的胚胎补偿技术流程，即在桑椹到早期囊胚时期注射3-5个人源供体细胞，构建嵌合胚胎。

嵌合胚胎在等比例混合的胚胎培养基和干细胞培养基中培养24小时后，移植入发情周期同步的代孕母猪，获得阳性嵌合猪胎儿，最终成功实现了人源化中肾的异种体内再生。

未来之路

移植人体还需摸索后期肾脏研究 团队正尝试生成心脏等其他人体器官

现在成功在猪体内再造出了人体中期肾脏，那么离完全能达到人体移植还差多少?

在大动物体内再生人体中期肾脏，这让王教伟看到希望，这项研究对于器官移植来说，已迈出了关键的一步，之后可以方便其他的科学家、专家进行下一步优化深耕，“但离真正能移植到人的话，其实还需要一段很长的路要去摸索。”

据介绍，若要获得一个成型的、可用于移植的后期肾脏，还有诸多问题有待解决。为了达到这一目的，还需要对包括干细胞培养体系、人-猪胚胎补偿技术体系以及宿主胚胎等多方面继续进行优化。“对于后肾而言，其肾小球中毛细血管簇由肾脏间质祖细胞通过血管生成或者现有血管对发育间充质的渗透而来。所以，我们下一步科研方向之一就是将同时敲除肾脏和血管的发育关键基因，让肾脏和血管同时发育缺陷，再观察嵌合猪胎儿肾脏内是否能生长出人的血管。”

除了肾脏，像肝脏和心脏也是目前极其短缺的器官。王教伟还表示，基于我们在功能性实质器官异种体内再造迈出的第一步，团队也正在针对其他器官进行探索。

热议

猪体内培养出可移植的肾脏，人能够直接用吗?

猪的寿命短，人的寿命长，假如能够在猪体内培养出可移植的肾脏，能够直接用吗?据透露，行业内专家探讨过这个问题，利用在猪体内再造出的人体肾脏乃至其他器官，理论上，可以用于治疗某些患有先天性疾病的婴儿，“这对临床来说也是很有意义的。”

需要注意的是，面对科学突破所带来的伦理和技术挑战，如何在推动医学进步的同时，保护伦理和安全的需要，仍然亟待思考和探索。

文/李芷琪

编辑/倪家宁