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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

李紀潔、羅鴻
・2017/04/05 ・2313字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

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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李紀潔、羅鴻
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來自陽明大學基科所的畢業生,喜歡神經科學、遺傳和演化的企鵝狂熱二人組。本來對科普寫作毫無興趣,在大學老師強烈遊說之下仍然無動於衷,畢業後卻意外開始在泛科學寫科普文章。興趣分別是畫畫和魔術方塊。目前兩人都在德國攻讀神經科學博士,分別專攻老化和神經再生、電生理和動物行為。


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「你不要過來啊!」蜘蛛為了在交配中保命,竟然把自己給射出去了!

Peggy Sha
・2022/05/18 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘

自然界中,充滿了不少為了交配而「慷慨赴義」的勇者,像是:螳螂、蜘蛛等等,在激戰中或激戰後,雄性會變成配偶的盤中飧,如此一來,不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!(讓我們感謝飛天小爸爸的努力!)

「性食同類」不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!圖/Pixabay

這種現象呢,被稱之為「性食同類」(sexual cannibalism),通常是雌性吃掉雄性的比例稍微高一些。

但正如俗話所說,「生命會自己找到出口」,竟然有雄性蜘蛛靠著把自己「射」出去來保下一命!今天,就要來為你講述,隆背菲蛛(Philoponella prominens)的噴射故事。

交配到一半就彈出去了?超離奇高速彈射之謎!

這次的主角隆背菲蛛呢,是一種原產於日本、韓國等地的社會性動物,過去驚人的成就包括:能夠一次聚集 300 多隻同伴,共同編織出一片大網。

至於牠們超強的彈射能力又是如何被發現的?原先,來自湖北大學的張士昶副教授與團隊正在研究隆背菲蛛的性行為,卻忽然發現了一個超離奇現象:完成交配之後,雄蛛居然會猛然彈開,「biu」地一下就飛得老遠!

這驚人的過程可說是快到不可思議,最高紀錄達到一秒 88.2 公分,別說是肉眼,就連普通相機都沒辦法正確紀錄下細節。

這個現象立刻引發了研究團隊的好奇心,那麼接下來該怎麼辦呢?當然是:交配大戰看起來!

射,還是不射?這是個攸關性命的問題!

為了進行研究,團隊總共觀察了 155 次交配行為,並在其中 152 次中觀察到了這種超高速的彈射情形。你可能會很好奇,那剩下的 3 次呢?嗯……那 3 隻隆背菲蛛沒有成功彈射出去,交配後就成了配偶的大餐了。

什麼?沒彈掉就會被吃掉?這究竟是巧合還是命運的安排?

研究人員決定出手人為干預一下,他們選了 30 隻隆背菲蛛,然後想辦法阻止牠們彈射,結果發現:「彈射=保命」,要是你射不出去,那你就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的晚餐。

要是隆背菲蛛彈射失敗,那就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的營養來源。圖/Pixabay

相反地,如果成功彈出去了,那麼,你不但可以保命,也多了再次交配的機會。嘿,沒錯,牠們彈出去後還會再爬回來交配,再彈、再爬、再交配,就如此反反覆覆。(當然啦,有時也會在過程中不小心弄掉一些身體部位,比如一兩支步足。)

想要成功噴射,你需要一對強壯的步足!

至於為何隆背菲蛛能變成這樣的飛天小蜘蛛呢?秘密就藏在牠們的步足中。研究團隊發現,雄蛛們會將第一對步足抵在雌蛛身上,一旦交配完成,就用力蹬腳彈射出去。

根據實驗,科學家們發現這對步足可說是噴射與交配關鍵,少了一支都不行,只要沒有這對秘密武器,雄蛛只會停留在求偶階段,但不會真的跟雌蛛交配。但如果掉的是其他幾支腳,那可完全不會影響交配過程,還是能順利完成生育大計。

而這對秘密武器最強大的地方,其實是來自液壓;只要蜘蛛擠壓胸部的肌肉,便可以將其中的體液注入特定關節(tibia–metatarsus joint),透過液壓來伸直步足、產生彈力。

沒想到吧?為了在交配中保命,隆背菲蛛還得運用到流體力學,是不是很有趣呢?

參考資料:

Male spiders avoid sexual cannibalism with a catapult mechanism: Current Biology
These male spiders catapult away to avoid being cannibalized after sex
Watch These Male Spiders Jump Like Hell to Avoid Being Eaten After Sex
This Male Spider Catapults Itself Into the Air to Avoid Sexual Cannibalism | Science| Smithsonian Magazine
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。