专访首个类人囊胚构建者:希望体外培养独立人体器官

孕期保健 | 2021-03-16 01:25

  专访|首个类人囊胚构建者吴军:希望体外培养独立人体器官

  澎湃新闻记者 贺梨萍

  这是有史以来的第一次,人类在体外构建出了完整的人囊胚样结构。

  北京时间3月18日凌晨,国际顶级学术期刊《自然》(Nature)刊发这一重磅突破。来自澳大利亚莫纳什大学解剖与发育生物学系教授Jose M. Polo团队,以及美国得克萨斯大学西南医学中心助理教授吴军等人率领的团队,采用不同的路径体外构建出人囊胚样结构,并各自发表了论文。

  这两项突破性的工作,或将让人类胚胎的早期发育过程多了进一步深入探究的可能性。吴军在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者专访时表示,“目前对于人们来说,人类胚胎早期发育过程还是一个‘黑盒子’。”

  我们对于胚胎发育的了解,大多是还是来自于对小鼠等各种模式生物的研究。究其原因,吴军分析,“这主要是因为两点:一、使用胚胎进行研究,涉及很多伦理问题。二、能够用于研究的人类胚胎主要来自于采取人工授精治疗后的夫妇,将多余的胚胎捐赠用于研究。”然而,这些稀有的胚胎数量,远远达不到进行深入研究的需求。

  包括吴军在内的科学家早就开始设想,如果能够在体外获得一种类似于人类胚胎的结构,这将同时解决上述的两个问题,使科学家们更加广泛深入的研究人类早期胚胎发育变为可能。

  值得注意的是,就在4年之前的2017年2月,彼时还是美国索尔克生物研究所研究员的吴军及其合作团队在顶级学术期刊《细胞》(Cell)发表了另一项研究,他们把人类干细胞注入猪胚胎中,首次成功培育出人猪嵌合体胚胎,并在猪体内发育了3到4周时间。该研究被认为是干细胞研究领域的一个里程碑。

  2019年10月,吴军等人在《细胞》发表研究,报道了利用扩展多能性干细胞在体外构建功能性的胚胎结构,而不经过传统受精方式。这一新模型未使用配子,可以以高通量方式揭示早期胚胎的发育机制,并构建机体各部分类器官。

  2020年12月,吴军等人再次在《细胞-干细胞》发表论文,他们首次在多个物种中培育出一种新型干细胞系,并在此基础上生成世界首例马鼠嵌合胚胎。

  谈及其多年来的研究,吴军表示,其理想之一是希望通过干细胞技术,获取有功能性的独立的人体器官,从而为需要器官移植的患者提供合法有效的器官来源;另一个理想则是尽可能多的获取不同物种的干细胞,特别是有不同特征的物种,研究这些物种的干细胞和早期发育有可能会帮我们发现抗癌、人工诱导冬眠等有效方法。

  而回到科学界和公众都讨论广泛的生物伦理问题,吴军强调,其最新的这项研究获得的并不是真正的胚胎,“类囊胚非常接近真正的囊胚,但是它和囊胚仍然不相同。”他表示,“从生物学角度,这个结构的本质并不是胚胎,只是一个可以经历胚胎早期发育过程的胚胎干细胞的集合体。”

  而即使在人类胚胎研究的框架下,他认为他们的研究仍旧符合国际上的法律法规以及准则。更重要的是,吴军认为,“通过对囊胚样结构来研究人类早期胚胎的发生和发育,可以不使用真正的人类胚胎来研究,这在一定程度上是对生命的保护。这些研究对解决出生缺陷和人类发展的许多其他重要且未被研究的方面打开了窗口。”

  据学校官网介绍,吴军分别于山东大学及田纳西大学诺克斯维尔分校获得临床医学学士学位和生物学博士学位。经过南加州大学Martin Pera教授及索尔克生物学研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte教授实验室的博士后培训后,于2018年1月入职得克萨斯大学西南医学中心,担任分子生物学系助理教授。

  其主要研究方向是利用多种技术手段开发新型干细胞,建立高效基因组和表观基因组编辑工具,专注于利用种间嵌合体来研究进化背景下的发育生物学、身体和器官大小的确定、物种的特定行为特征、抗癌性以及物种屏障的分子基础。以下为澎湃新闻对吴军的采访实录:

  澎湃新闻:这项最新研究描述了在实验室培养条件下获得的人囊胚样结构,研究的初衷是什么?您希望与之相关的研究未来能解决哪些问题?

  吴军:目前对于人们来说,人类胚胎早期发育过程还是一个“黑盒子”。对于胚胎发育的了解,大多是还是来自于对各种模式生物的研究,比如小鼠等。这主要是因为两点:一、使用胚胎进行研究,涉及很多伦理问题。二、能够用于研究的人类胚胎主要来自于采取人工授精治疗后的夫妇,将多余的胚胎捐赠用于研究。然而,这些稀有的胚胎数量,远远达不到进行深入研究的需求。因此,如果能够在体外获得一种类似于人类胚胎的结构,这将同时解决上述的两个问题,使科学家们更加广泛深入的研究人类早期胚胎发育变为可能。

  研究胚胎早期发育有助于我们更加了解一些人类早期重大疾病造成的流产,畸形儿,女性受孕障碍等疾病,并为其寻找可行的解决方案;此外,人造胚胎还可以建立药物筛选模型,通过筛选对早期胚胎发育致畸的药物,从而为进入临床应用的孕妇药品提供安全性模拟检测。

  澎湃新闻:这是首次获得完整的人囊胚样结构,能否介绍下关键的试验步骤?其中的难点和突破点是什么?

  吴军:人囊胚样结构主要包括三种细胞类型,上胚层细胞、原始内胚层细胞、以及滋养层细胞。如何让这三种类型的细胞,在构建过程中,正确出现在其固定的位置上,是一个难点。

  早期小鼠人造囊胚的构建是直接将上胚层细胞以及滋养层细胞放在一起共培养,通过特殊的培养条件,使其构建成囊胚结构。但是在人类细胞中,科学家们经过不断尝试,以三种细胞为来源去构建人类囊胚并不能成功。原因在于人类胚胎干细胞与小鼠还是有很大差别,在小鼠中,细胞类型比较稳定,但是人类的胚胎干细胞是处于一个不稳定阶段,其细胞类型可以互相转化。

  由此,我们提出新方案,是否可以以一种细胞类型为起始点,通过让其自我分化与组装,从而构建出具备三种细胞类型的囊胚。经过测试,我们成功了。我们最终采用人初始多能性胚胎干细胞,在一个动态过程中向原始内胚层细胞和滋养层细胞两种细胞进行分化。而且这个过程其实也更接近胚胎发生过程,是由均质化的细胞,一步步发育成囊胚,而不是由不同细胞去构建。

  因此,这个过程本身就模拟了胚胎早期发育的过程,对于研究人类早期胚胎发育更加具有指导意义。

  澎湃新闻:和天然的人类囊胚相比较,研究获得的人囊胚样结构有哪些相同点?同时有哪些差异?这些差异会对带来什么问题吗?

  吴军:囊胚是指发育至第5第6天的胚胎。和天然的人类囊胚相比,人囊胚样结构的相同点主要在于:第一,它们的结构类似,是一个有空腔的泡状结构,并且体积大小,细胞数目处于基本相同的范围之中。第二,它们细胞组成类似,通过对关键蛋白的分析,发现在囊胚及类囊胚结构中,都同时存在三种构成囊胚的细胞,即上胚层细胞、原始内胚层细胞、以及滋养层细胞。第三,基因表达水平类似,通过对结构中每一个细胞的基因表达进行分析,并且同真正人类囊胚中的细胞进行对比,发现在类囊胚结构中的部分细胞表达图谱与真正的胚胎细胞高度重合。

  以上各点虽然说明类囊胚非常接近真正的囊胚,但是它和囊胚仍然不相同。首先这个结构完全是在体外形成的,这和真正的体内环境完全不同,因此它的结构,基因表达只是接近囊胚,而并非完全一致。第二,类囊胚结构的形成并没有经历过精卵结合,合子基因组激活等等对于胚胎发育至关重要的过程,因此它的表观生物学信息一定与真正的囊胚有很大差别,这点需要我们在将来进一步认证,这些差异导致类囊胚结构很难完成后续胚胎发育的完整过程。

  其实任何事物都是有两面性的。我们获得了一种模型,它为人类早期胚胎发育的研究提供了新的可能。但是模型终究是模型,自然有它的局限性,因为不能完全取代对人类真正胚胎的研究。但是通过这些与人真正囊胚最为接近的模型,进行大规模实验,在获得宝贵的线索之后,再回到真正胚胎进行确认,这样提高了效率和结果的可靠性。科学家在这个过程中探寻人类早期胚胎发育的奥秘;科学也是在这样一个不断探寻,验证的过程中趋于完善。

  澎湃新闻:团队未来进一步的研究计划是什么?

  吴军:目前制作类囊胚结构的方法只是一个初步尝试,获得结构的效率并不是很高,且并不稳定,所以还有很大的优化空间。团队目前正在继续优化方法,希望能够开发出更加高效和稳定的平台供其他的研究者使用。

  澎湃新闻:关于此类试验,科学界和公众都会关注其伦理性,您如何看待这项研究的伦理问题?

  吴军:首先,我们必须强调一点,我们研究的并不是真正的胚胎。这个结构只是一种与胚胎具有相似结构的细胞集合体,他并没有生命形成的必须的受精过程,并且目前为止,不能证明该结构具有和胚胎一样具有发育到更复杂胚胎结构的特性,比如产生心肌细胞,神经细胞等等。因此,从生物学角度,这个结构的本质并不是胚胎,只是一个可以经历胚胎早期发育过程的胚胎干细胞的集合体。

  其次,即使在人类胚胎研究的框架下,我们的研究仍旧符合国际上的法律法规以及准则。关于人类胚胎的研究,国际通用的准则为“14天准则”,即体外研究应在受精后14天结束——大约是子宫内植入正常完成的时间。法律和国际规范禁止科学家在14天后,或在“原始条纹”结构出现之后培养人类胚胎,该结构定义了人体主要组织开始形成的时期,且胚胎不能再分裂成同卵双胞胎。我们培养出的人囊胚样结构,相当于胚胎发育的第5-7天,在此基础上,我们让其分化了四天,加起来总共10-11天。

  此外,我们使用的细胞系是美国NIH批准的胚胎干细胞系。

  因此,不论从任何层面,我们的研究从法律道德上符合伦理要求。

  更重要的是,通过对囊胚样结构来研究人类早期胚胎的发生和发育,可以不使用真正的人类胚胎来研究,这在一定程度上是对生命的保护。这些研究对解决出生缺陷和人类发展的许多其他重要且未被研究的方面打开了窗口。

  澎湃新闻:您多年的工作都致力于干细胞基础和转化研究,此前还成功培育了人猪嵌合体,这次在人胚胎模型技术方面又获得进展,能聊一聊您在科学研究上的理想吗?在您的设想中,希望您的研究能带来哪些领域的突破?或者在实际应用中解决哪些问题?

  吴军:人类器官移植是现代医学的一个很重要的发展,通过将生病坏死的器官移除,用健康有活力的器官替代,可以使有生命危险的病人再次获得生机。当前社会背景下,器官移植最重要的制约不是技术,而是器官来源。器官需要在离开母体一定时间内重新移入新的生命体内才有可能存活,而大多数意外死亡事件必须在生前签订捐赠协议,并且个体没有重大疾病,这些苛刻的条件使我们很难获得可以更换的器官来源。

  我的理想之一是希望通过干细胞技术,获取有功能性的独立的人体器官,从而为需要器官移植的患者提供合法有效的器官来源。当然,这个只是终极目标,这条路目前看起来还任重道远,我们的研究只是为这些未来打开了一扇门,更多的研究需要世界各国的科学研究者们共同努力。

  另外我觉得干细胞还具有很大的潜力来挖掘发育生物学中未知的奥秘,我的另一个理想是尽可能多的获取不同物种的干细胞,特别是有不同特征的物种,比如很少得癌症的裸鼹鼠和冬眠时间最长的北极地松鼠。研究这些物种的干细胞和早期发育有可能会帮我们发现抗癌和人工诱导冬眠的有效方法。

【编辑:张燕玲】