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  • 细胞间的“秘密战争”,人造器官能否跨越这个难关?

      竞争,似乎是贯穿于生命演化进程中最为重要的主题。早在 1859 年,达尔文就发表著作《物种起源》,其核心思想之一就是“物竞天择”,系统阐释了生物个体间存在竞争,能适应生活者才会被选择存留下来。

      来源:中国科普博览

     (图片来源:澎湃新闻)

      (图片来源:澎湃新闻)

      生物个体之间存在竞争,那对于组成生物个体最基本的单位——细胞而言,是否一样存在着竞争呢?如果存在,不同物种之间的细胞竞争又是什么样的呢?

      早在 1974 年,西班牙科学家最早发现了“细胞竞争”这一生物学现象。

      科学家将果蝇作为研究对象,通过遗传学操作让一部分果蝇的细胞产生基因突变,并将其与正常的果蝇细胞一起培养。研究发现,这些基因突变的果蝇细胞很快就会死亡,被正常的果蝇细胞所取代。另一个有趣的现象是,这种细胞间的竞争只会存在于细胞混合的培养环境中,如果某些突变细胞构成了组织,这些组织就不会被正常细胞或组织所取代。

     (图片由作者提供)

      (图片由作者提供)

      如今,科学家正在利用“细胞竞争”的原理,尝试解决以往很难取得突破的科学问题。最近,《自然》杂志在线发表了一项最新研究成果中,研究者发现在小鼠、大鼠、猕猴、牛和人类等多种哺乳动物干细胞之间也存在着一定的细胞竞争的现象。科学家通过分析并调控了物种之间影响干细胞竞争的关键因子,成功获得了人-鼠嵌合的早期胚胎,这一成果可能为人类的器官再造带来新的希望。

    (图片来源:Nature 官网)

      (图片来源:Nature 官网)

    (图片由作者提供)

      (图片由作者提供)

      细胞竞争?人造器官?怎么就从普遍生物现象说到了人类器官培养了呢?这是不是省略太多了?

      各位朋友请稍安勿躁,让我们慢慢说道,这就要从这干细胞的胚胎嵌合技术说起。

      胚胎嵌合技术:让猪的体内长出人的器官

      干细胞是一类具有较高发育潜能的特殊细胞类型,以胚胎干细胞为例,他们可以从发育早期的胚胎中分离出来,具有可以分化为个体的几乎全部细胞、组织和器官的能力。

     (图片由作者提供)

      (图片由作者提供)

      科学家们发现将小鼠胚胎干细胞注射到另一个受体囊胚中,干细胞可以与囊胚的内细胞团细胞共同生长、发育,最终形成同时包含供体干细胞和受体胚胎两种细胞的嵌合体小鼠(Chimera)。

      仅利用小鼠的胚胎干细胞就可以实现小鼠的胚胎嵌合,如果有了多个不同物种的干细胞之后就更为有趣了。2010 年,日本科学家利用小鼠、大鼠两种啮齿类动物的干细胞开展异种嵌合实验,他将大鼠的 iPS 细胞注入到一种 Pdx1 基因敲除的小鼠的囊胚中(该基因敲除后,小鼠会因胰腺缺陷死亡),成功地在小鼠体内获得了来源于大鼠的胰腺器官,这是首次在异种动物体内获得完整的功能器官[2]。

     (图片由作者提供)

      (图片由作者提供)

      在随后的研究中,科学家将小鼠、大鼠的干细胞和基因修饰动物结合,成功地获得了胸腺、肾脏等多种器官,并证明了所获得的异种器官具有正常的生理功能。

      利用干细胞的发育潜能,通过异种嵌合技术在动物体内实现异种组织、器官再造,理论上能够从非人类物种身上获得完全来源于人类自身干细胞的组织或器官,使得干细胞异种器官再造有望成为人类移植器官的新来源。

    通过异种嵌合技术在动物体内实现异种组织、器官再造构想图(图片由作者提供)

      通过异种嵌合技术在动物体内实现异种组织、器官再造构想图(图片由作者提供)

      近年来,科学家在干细胞的异种嵌合领域获得了一定的突破。例如:2013 年,美国科学家通过改进人胚胎干细胞的培养体系成功实现了人-小鼠早期嵌合;2017 年,中国科学家通过提高人胚胎干细胞的抗凋亡能力,提高了人胚胎干细胞的小鼠胚胎嵌合能力;2019 年,灵长类动物猴-猪的嵌合也获得了一定的突破。虽然胚胎嵌合研究获得了很多成果,但目前嵌合效率低是异种嵌合领域亟待解决的瓶颈问题。

      科学家总结胚胎嵌合效率低主要可能有以下几个原因:发育时间不匹配、供体细胞竞争力不足、受到进化距离的影响。进化距离较大的物种,发育模式差异较大,难以形成嵌合体或嵌合比例很低等等。

      跨物种间的干细胞大乱斗

      2021 年 1 月 28 日,华人科学家 Wu Jun 在 Nature 在线发表题为“Cell Competition Constitutes a Barrier for Interspecies Chimerism”的文章,该研究首次揭示影响物种间嵌合的主要原因之一是细胞竞争,并阐明了细胞竞争的机制。

      科学家们首先尝试了大-小鼠(啮齿类)、人-猴(灵长类)和牛等不同物种的多能性干细胞进行共培养,他们以每平方厘米存活的细胞数量为指标,判断细胞凋亡程度。

      科学家惊奇的发现不同物种的多能干细胞之间存在细胞竞争的现象,例如:在人-鼠的多能干细胞培养中,第 3 天时,人的多能干细胞逐渐凋亡,小鼠的多能干细胞持续增长,在生长第 5 天,人的多能干细胞就只有少数幸存。

      不同物种细胞共培养(图片来源:Nature)

      不同物种细胞共培养(图片来源:Nature)

      然而,这些存活下来的人类多能干细胞和单独培养的人类多能干细胞有什么区别呢?

      科学家们又做了测序分析,测序结果发现人的多能干细胞中一个被称之为 NF-kappa B 信号通路被激活,说明上述信号通路被激活会促进细胞凋亡,于是科学家就大胆尝试,如果在正常细胞中调控这些基因,会不会对细胞凋亡产生影响?

      所以科学家们通过敲除表达抗凋亡基因 Bcl2 或者 NF-kappa B 信号通路中一些关键的基因,从而抑制细胞凋亡。

      结果令人惊喜!研究发现经过基因修饰的人类多能干细胞可以在共培养的环境中生存,细胞竞争现象消失了!在体内实验中,经过胚胎注射,异种嵌合的阳性比率升高并且可以发现供体细胞参与胚胎三胚层分化。

    进过基因修饰的人类干细胞培养过程(图片来源:Nature)

      进过基因修饰的人类干细胞培养过程(图片来源:Nature)

      不仅如此,研究人员还尝试将不同物种处于另一种状态的干细胞——始发态(primed)干细胞共同培养,比较他们之间的细胞竞争力,大小鼠之间和人猴之间的干细胞竞争力相似,未发现明显的细胞竞争现象。

      但大小鼠(啮齿类)、人猴(灵长类)和牛的始发态干细胞之间相对竞争力状态是不同的,在共培养体系中,这种竞争力状态的不同会导致细胞竞争的发生,竞争力强的会诱导竞争力弱的凋亡,研究人员认为这种竞争力状态似乎跟物种间进化距离密切相关。

    进化树上进化距离与竞争力状态的不同(图片来源:Nature)

      进化树上进化距离与竞争力状态的不同(图片来源:Nature)

      如果说原先细胞竞争机制在异种嵌合中像个“黑箱”,那么这一次的研究成果就是一窥箱内秘境的一步。该研究发现不同物种的干细胞之间在特定的阶段会发生细胞竞争现象,并揭示了细胞竞争的机制,为深入了解影响异种嵌合效率的壁垒提供了理论基础。当异种细胞进入到受体中遭受到的细胞竞争可以通过基因技术进行有效控制时,相信异种嵌合技术将会再上一个台阶!

      之所以人造器官,异种嵌合技术成为关注焦点,与目前器官移植缺口巨大,器官捐献量不足,配型较难等问题息息相关。每年等待器官移植的患者有 30 万,但器官供需比只有1:30,只有较少的病人能够进行器官移植。人造器官是解决器官移植缺口问题最有前景的途径之一,而目前器官再造有体外器官打印,类器官,异种嵌合等方式。

      细胞竞争原是普遍存在的生物现象,却在不断求真的科学探索前成为了可能解救数万人生命的理论基石。科学的进步让许多神话故事成为现实,例如:千里眼、顺风耳是手机和视频通话的远古想象、嫦娥奔月传说反映了月球探测的愿望……曾经,嵌合体(Chimera)是《荷马史诗》中的怪兽,但是在不远的将来,科学进步的发展会使得嵌合体可能成为解决人类器官短缺的“神兽”,让更多生命获得再次拥抱世界的机会!

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