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人的細胞,是否能在豬的體內發育成型?──談人豬嵌合體之研究

文/李紀潔、羅鴻|陽明大學基因體科學研究所畢業生

全球對於器官移植的需求一直居高不下。以台灣為例,目前有八千多名病患需要新的器官,而衛生福利部104年度統計顯示,其中只有691名接受移植,其中多數為眼角膜、腎臟和肝臟移植。所以供不應求的現象是怎麼造成的呢?

除了腎臟及肝臟外,許多的器官必須在捐贈者腦死後才能進行摘取,因此有了數量限制及保存問題這兩個原因。但更重要的是如何成功配對捐贈者和接受者,若捐贈者器官沒有帶有相似接受者的人類白血球抗原HLA,接受者的免疫系統便會啟動發炎反應清除異物,除了導致移植失敗也會引起一連串的併發症。而目前移植的方式可以分成器官移植、組織移植及異種器官移植,而這三種方式都仍必須克服免疫排斥的問題。

要避免移植過程發生免疫排斥的問題,科學家也想過用自己的細胞產生需要的器官或組織。在生物技術、幹細胞研究上的突破,讓科學家可以在裸鼠身上培養出人類耳朵,也可以讓心肌細胞覆蓋上僅剩蛋白質空殼的心臟骨架,這條路也許能通向再生醫學的巔峰,但可惜的是上述的培養方式效率很低。

不過,今(2017)年一月底發表在《細胞》(Cell)期刊的新研究,發現一種能讓其他物種長出人類器官的新可能性[1]。

大鼠心臟去細胞化(上)之後,再植入豬心臟細胞並培育(下)。圖/Science Daily

該研究團隊先針對了在小鼠、大鼠之間是否能夠進行跨物種器官培養。他們先將大鼠的全能性幹細胞植入到小鼠的囊胚當中,並將囊胚放回代理孕母的子宮內。大概有50%的小鼠能夠出生,而正常發育的小鼠中有20-35%的會有大鼠的細胞出現,這些帶有大鼠細胞的小鼠我們稱之為嵌合體。嵌合體小鼠可以正常的發育且存活到兩年大,和一般小鼠並無差別。嵌合小鼠會同時有黑色和褐色的毛髮,中間褐色的部分就是源自於大鼠的細胞。研究團隊更接著分析了嵌合小鼠體內能有多少大鼠的細胞參與在器官當中,其中包含心臟、肝臟、腎臟、大腦等等器官都可以看到有大鼠細胞的出現,而最多的是在心臟當中,大約有10 %是大鼠的細胞。

含有大鼠細胞(紅色部分)的小鼠胚胎。圖/Science News

等等,整個器官只有 10% 是大鼠細胞,這樣不是超少的嗎?

不用擔心,研究人員當然也知道這樣真的太少了,因此他們利用基因修飾的方法,讓小鼠的胚胎無法生長特定的器官,這樣一來當小鼠胚胎要長出該器官時,便只能利用大鼠的細胞了。研究人員破壞了 Pdx1 基因,使小鼠無法發育出胰臟。這時他們觀察到嵌合小鼠不但可以長出胰臟,還會有較多的大鼠細胞出現在胰臟內,而這個由大、小鼠細胞混合生長出來的胰臟具有正常的功能,可以穩定嵌合小鼠的血糖值。

既然大小鼠的跨物種器官培養可以成功,那麼換成不同物種應該也可以成功囉?

研究團隊接著嘗試將小鼠和大鼠的全能型幹細胞移植到豬的桑椹胚當中,並將胚胎移植到代理孕母體內(假懷孕的母豬)。但是很可惜的,研究團隊發現不論是正常發育或是發育不良的胚胎,都沒有辦法觀測到老鼠的細胞。因此想要將老鼠的細胞在豬身上培養可能仍有許多的限制。

「會不會是因為老鼠和豬的胚胎大小差距太多了呢?」這個想法迴盪在研究員的腦海中。
「那我們來試試看人的細胞能不能用好了!」

研究團隊接著試著把人類的全能性幹細胞植入牛和豬的囊胚中之後進行體外培養,結果竟然可以看到人類細胞嵌入了胚胎當中!令人振奮的結果讓他們決定嘗試,是否這個嵌合胚胎可以在豬的體內發育成型。

植入人類全能性幹細胞的嵌合胚胎(四週大)。圖/The Scientist

研究人員一共將 1466 顆人-豬嵌合胚胎送入 41 隻當作代理孕母的母豬中,等到 3、4 週時,再將發育後的胚胎取出並觀察。他們一共取出了 186 個胚胎,其中有超過一半有出現發育不良或是胚胎體型較小於控制組的狀況,而一共有 67 個胚胎有出現人類細胞,其中有 17 個是發育正常的。在胚胎的組織切片中,不但能觀察到人類細胞的出現,且這些人類細胞也已成功的分化到各個組織當中。雖然一切看似如此美好,但是很可惜的是目前這些器官有成功混入人類細胞的比例仍然遠低於大小鼠嵌合的情況。

人豬嵌合胚胎中,綠色部分是人類細胞,而紅色則是已分化進組織的部分。圖/Science News

所以,轟動一時的人豬胚胎就這樣而已嗎?

是的,雖然這次研究成功將人類細胞混合其他物種的胚胎進行培養,但是距離能夠實際應用到臨床醫學上還有很大的一段路要走。這篇研究提供了最初步的成果來證實這樣的作法雖然有待加強,但是至少這個目標是有可能的!

同一時間,另一個研究團隊也在《自然》(Nature)上發表了類似的跨物種器官培養研究成果[2]。該團隊是將小鼠的全能性幹細胞打入大鼠的胚胎中,進而培養出含有小鼠細胞的器官(胰臟)。最後將胰臟中的胰島重新移植回有糖尿病的小鼠中,則能有效的將小鼠的血糖維持在正常值。對比人豬胚胎的實驗,這個研究更說明了跨物種的器官培養不只能培養出特定器官,這些器官移植之後也是能有正常功能的。

結語

不論是器官移植還是器官培養,都是依靠了多年的生物醫學經驗累積起來的,絕非一蹴可幾,因此每一次的研究和發現或許並不顯著,但是都能夠使我們朝著這些目標更進一步。


參考資料

  • [1]Wu, J. et al. Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell 168, 473-486 e415, doi:10.1016/j.cell.2016.12.036 (2017).
  • [2]Yamaguchi, T. et al. Interspecies organogenesis generates autologous functional islets. Nature 542, 191-196, doi:10.1038/nature21070 (2017).]

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