加州校園旁的「人豬嵌合體」，將如何改變人類醫學？

04-22

▎葯明康德/報道

世界上就是有一些人，做出了別人不敢想、不敢做的事。要做有影響力（make impact）的事，這是葯明康德曾經專訪過的一位科學名人，最年輕的美國三院院士羅伯·蘭格教授成功的第一秘訣。

▲"醫藥界愛迪生"與他的創意工廠 | 獨家專訪羅伯·蘭格博士

中國出生長大的女科學家楊璐菡博士獲得讚譽無數，最近剛剛入選「全球30名生物醫藥行業青年領軍人物」，她致力於研究如何將豬器官移植到人體身上，這種發展和進步可能會影響全世界數十萬正在等待移植的人。使用CRISPR基因編輯技術，目前她已經解決了異種移植的排斥的若干問題。

▲年僅30的全球青年領袖！走近中國女科學家楊璐菡博士

而本文的主人公也是這樣的人。不過他們研究的思路跟楊璐菡博士正好相反，是在豬的身上長出人體細胞（器官），又成為「人豬」嵌合體（chimeras），目的也是解決移植器官短缺的問題。

楊璐菡博士用的「魔剪」CRISPR技術是一種很流行的基因編輯手段。而在豬胎內生長人體細胞雖然也涉及一些最新的科學技術（幹細胞，基因編輯等），但它還需要更平凡的東西：一個農場，飼養牲畜，還有像「農民」科學家這樣的人，知道如何處理這些原生態的東西。

貝爾蒙特（Juan Carlos Izpisua Belmonte）教授出生在西班牙一個貧窮的農民家庭，他8歲就輟學在田裡幹活，母親不識字。16歲時他才有機會重新入學。年輕的貝爾蒙特對科學毫無興趣，他想學哲學。但是在他前往哲學系的路上，一座美麗的建築吸引了他，然後他就在那裡註冊了——西班牙巴倫西亞大學（University of Valencia）藥學院。33歲那年，貝爾蒙特教授加入Salk研究所（Salk Institute），成為全球最著名的生物醫學研究所之一的一員。

▲這名8歲輟學的農家少年，有望改寫人類器官移植格局

貝爾蒙特教授的實驗室是全球著名的再生醫學研究中心。貝爾蒙特教授和高級研究員吳軍博士在小鼠體內成功地培育了人類幹細胞。他們的夢想是解決器官移植難題，因為豬器官大小跟人器官相似，也有在人類醫學上應用的先例，因此他們打算測試在豬身上種植人體細胞和器官的夢想。

▲貝爾蒙特教授和吳軍博士（圖片來源：Salk研究所）

但是他們還需要一個動物學的幫手。在瀏覽加州大學戴維斯分校網站時，他們被一個人的胚胎和克隆背景吸引住了。

這個人就是加利福尼亞大學戴維斯分校（University of California Davis）的羅斯（Pablo Juan Ross）教授。羅斯教授自稱是一個「嵌合體」，他有愛爾蘭人血統，卻出生在阿根廷，父親是一名獸醫，他從小在農村長大，從來沒有看過電視機。他數學很好，希望能成為一名工程師，拚命想離開家鄉看望更廣闊的世界。最終學了獸醫學的羅斯一直讀到動物學博士學位，他在密西根州立大學的導師是Jose Cibelli博士，與羅斯教授畢業於同一家獸醫學院的阿根廷人，他2001年因為克隆第一個人類胚胎而舉世聞名。

▲羅斯教授（圖片來源：加州大學戴維斯分校）

名師出高徒，獸醫訓練涉及研究許多不同物種的解剖，生理和繁殖，對於幫助羅斯教授取得成功至關重要。

「我們很高興找到他，」吳軍博士說：「他的專長和我們的項目完美匹配。」通過Skype，他們與羅斯教授對話。貝爾蒙特教授告訴他說，自己實驗室有方法培育出各種可能在動物胚胎內生存的人類幹細胞；而且他們正在使用CRISPR基因組編輯技術從動物胚胎中去除生成器官的基因，然後採用人類的器官細胞來填補。

▲一個4周齡的豬胚胎通過轉基因，使其不能產生豬的胰腺（圖片來源：STAT）

這個想法正中羅斯教授下懷，他也想找明星導師的光環下做一點「大事情」。三個人一拍即合。他們準備在第二天就開始實驗。

當然，這畢竟是涉及物種、幹細胞胚胎移植的研究，羅斯教授必須確保植入嵌合胚胎的母豬與其他豬分開，並在實驗結束後銷毀，即使是那些實驗中不含有人體細胞的豬，在屠宰後也不能當作肉類吃掉或賣掉，這樣戴維斯分校審查委員會才肯在倫理申請上簽字。

▲羅斯教授在加州大學戴維斯分校豬場培育約克郡小豬，這是一種用於嵌合實驗的品種（圖片來源：STAT）

一旦得到了批准，羅斯教授就一頭扎進了豬圈。那兩年，他幾乎沒有進過自己的辦公室。因為學生沒有足夠的經驗，羅斯教授自己進行了艱苦的實驗。這個實驗程序需要坐在顯微鏡下，通過稱為滋養層的細胞保護層將人類幹細胞注入豬胚胎。這在小鼠胚胎中很容易做到，因為滋養層薄。但是，像豬和牛這樣的大型動物，滋養層比較厚，推一根針需要很大的力量，一不小心整個細胞就可能破碎。

▲往豬胚胎注射人幹細胞（圖片來源：STAT）

「操作胚胎，微注射胚胎。他是可以做這種工作的罕見人物之一，」嵌合體領域的開拓人、斯坦福大學的Nakauchi博士給予他極高的評價。

為了簡化工作，羅斯教授還發明了一種激光脈衝系統來處理胚胎，通過這個系統產生的小孔，可以方便地將人體幹細胞或基因編輯的分子注入到胚胎內部。

下一步是將嵌合胚胎移植到母豬體內發育。這工作想想就不容易。它需要一個完整的手術團隊，強壯的人把豬放到手術台上，還要將胚胎精確移植到豬的巨大複合雙角子宮中。

這些實驗步驟需要恰到好處地同步配合，像是一個優雅的舞蹈。需要動物排卵，人類幹細胞處理好待用，仔細注射胚胎以免損壞，並有一個手術團隊在母豬體內準確地植入50隻胚胎。有時母豬準備好了可以進行手術，但胚胎卻在植入前死了。有時，幹細胞準備好注射，母豬卻不能進行手術。

羅斯教授說：「花了這麼多的時間，人力。但是最後大都失敗了。」

很多次，羅斯教授拿到一個半英寸長的胚胎。他會把它放在顯微鏡下觀察，尋找人類幹細胞標記的熒光。許多次這樣的時刻都以失望告終。終於在2016年6月，他看到了夢中期待的熒光。

隨後貝爾蒙特實驗室經過進一步測試證實，人類細胞可以在豬胚胎中存活！羅斯和吳軍培訓了實驗室團隊，使更多人可以完成注射胚胎的工作。然後，這些實驗在西班牙的養豬場進行了擴大規模的研究，在9000頭豬身上，他們將人類幹細胞注入2000個豬胚胎。

▲等待實驗的小豬（圖片來源：STAT）

今年1月， 57歲的貝爾蒙特和他實驗室的人類幹細胞專家吳軍博士，以及40歲的羅斯教授一起在《細胞》雜誌發表了一篇重磅文章，證實了在豬胚胎里第一次培育出了人類細胞！哈佛醫學院院長，幹細胞研究專家Daley教授將這個發現視為「巨大的突破」。

這個實驗的人類細胞存活率只有10萬分之1。豬胚胎里的人體細胞比例也微乎其微。

前路漫漫，但是羅斯教授充滿了樂觀精神。他繼續投入到解決人類細胞為什麼在豬胚胎里死亡的問題。

他認為移植可以利用中間器官（in-between organs）完成。就是說，只要能提高豬器官中人體細胞的比例，就可能發揮生物學作用，因為豬的器官在大小和形狀方面與人類器官相似。例如，對於糖尿病，研究人員可能能夠使用嵌合體生長「胰島」——能生產胰島素的細胞團，然後可以將「胰島」細胞團植入人體，以代替完整的器官發揮生產胰島素的功能。

羅斯教授說，器官移植的工作真的剛剛開始。想想克隆羊多利，那是動物科學史上的最大的成功之一。她的誕生也經過了277次嘗試。

畢竟，「做出一些可以真正改變世界，而不僅僅是改進的東西」，我們需要勇氣，也需要耐心等待。

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參考資料：

[1] Near the campus cow pasture, a scientist works to grow human organs — in pigs

[2] Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells

[3] First human-pig chimeras created, sparking hopes for transplantable organs — and debate

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