新型小鼠与人胚胎嵌合体中含有高达4%的人类细胞

这是一个小鼠-人类嵌合体，显示了17天大的小鼠胚胎（蓝色）中的人类细胞（绿色），这些细胞主要是在小鼠肝脏中积累的红细胞

令人惊讶的是，这些人类细胞甚至可以从小鼠细胞中学习，并发育得更快，换言之，这种嵌合体胚胎更接近小鼠胚胎的发育速度，而不是更缓慢的人类胚胎发育速度。研究作者之一、美国纽约州立大学布法罗分校生理学和生物物理学教授冯简表示，这一发现“非常偶然……我们其实并没有预见到这一点”。

冯教授称，在小鼠胚胎中成功培育人类细胞可能有一天将帮助科学家了解人体的生长和衰老过程，或者探索新冠肺炎病（COVID-19）这样的疾病如何损伤细胞，这些嵌合体胚胎最终甚至可以作为培养可供移植器官的支架。

冯教授的团队解决了此类嵌合体培育过程中的一个长期存在的问题：为了让人类胚胎干细胞和小鼠胚胎干细胞能够交流和混合，它们需要处于相同的发育状态，如何做到这一点？胚胎干细胞具有多能性，可以发育成体内任何类型的细胞。

但是，冯教授指出，“人类胚胎干细胞的外观和行为与小鼠胚胎干细胞非常不同”，因此过去试图让它们融合的尝试都失败了。起初，研究人员认为这种失败是由于某种物种障碍，但是经过多年的研究，他们意识到这并非物种问题，而是一个成熟度的问题。

人类干细胞处于较晚的发育时期，称为“始发态”（primed），通常只有在人类胚胎已经被植入子宫壁之后才会发生。相比之下，小鼠干细胞处于“原始态”（naive），这种状态通常发生在小鼠胚胎仍在输卵管内漂浮的时候。冯教授表示，以往的研究人员无法将人体细胞转换回原始态。

让人类细胞回到原始态

小鼠胚胎眼睛（蓝色）中形成的人类细胞（绿色）

在实验中，冯教授及其团队受到了“胚胎滞育”（embryonic diapause）现象的启发，这种现象在从小鼠到熊等数百种哺乳动物中都有出现。当发生一些艰难情况，如饥荒或缺水时，一些动物的胚胎可以在母亲的输卵管内保持数月——有时甚至一年多——的原始态，直到环境条件改善。

目前还不清楚是什么原因触发了胚胎在原始态下的发育停滞，但一种名为mTOR的蛋白质似乎起着传感器的作用，可以探测到环境条件不好的时候。他的团队发现，他们可以瞄准人体干细胞内的这种蛋白质，使细胞认为它们正在经历饥荒，需要“跳跃”到一个更“原始”的状态，从而保存能量。

mTOR通常会促进蛋白质和其他分子的生成，以支持细胞的生长和增殖，因此，通过抑制mTOR，冯教授的团队成功诱导了人类干细胞，改变了它们的新陈代谢和基因表达，使它们从始发态逆转为原始态。冯教授说：“因此，这些细胞的行为很像小鼠细胞。”于是，研究人员就获得了一组原始态人类干细胞，这些干细胞可以与小鼠干细胞一起培养，并“很好地混合在一起”。然后，研究人员将10到12个原始态人类干细胞注射到小鼠胚胎中。

在大多数小鼠胚胎中，原始态人类干细胞在三个胚层中都成功地发育为成熟的人类细胞。这三个胚层分别是：外胚层，即在胚胎生长时发育的初级细胞层，后来发育成毛发、指甲、表皮和神经组织；中胚层，构成器官的细胞；以及内胚层，构成器官的内层。不过，没有人类细胞扩散到生殖细胞组织，该组织后续会发育出卵子和精子细胞。

这三个胚层随后发育成更多的分化细胞。当研究人员在第17天停止实验时，有14个胚胎的人类细胞含量在0.1%至4%之间不等；胚胎中各部分都发现了人类细胞，包括肝脏、心脏、视网膜和红细胞。

然而真正“令人惊讶”的是人类细胞的发育速度。例如，这些胚胎能够在17天内生成人类红细胞，而在正常发育的人类胚胎中，红细胞大约需要56天才能发育完成。同样地，人类胚胎中的眼睛细胞要到很晚的时候才发育出来，而嵌合体胚胎则可以在17天内发育出包括感光细胞在内的人类眼睛细胞。冯教授表示，人类细胞“表现出了小鼠胚胎的生物钟”。此前，科学家认为这种加速发育是不可能的，因为人类细胞的发育速度一直被认为是“不可改变的”。

器官移植与道德困境

这项新研究确立了一种“新方法”，可以将经过诱导的人类多能干细胞转变为原始态，但该研究的嵌合性水平比另一项研究更低，后者每个胚胎中含有的人类细胞多达20%，但这项研究于5月24日发表在预印本数据库Biorxiv上，还没有经过同行评审。总之，这些研究为在体外获得多能态提供了新的视角，并强调了阻止跨物种成功嵌合的障碍，找到克服这些障碍的方法可能将促进再生医学的发展。

这些发现可能会“激发对人类发育基本认识的研究”，特别是生物系统中涉及的时间差异。这种嵌合体还可以帮助科学家了解人类疾病。例如，研究人员也许有朝一日能在小鼠模型中再生人类血液，并研究疟疾等疾病。如果能创造出人类肺细胞或呼吸道上皮细胞，小鼠就能成为研究新冠肺炎等疾病的“模型系统”。换句话说，可以用携带人类细胞的小鼠感染新冠肺炎，然后了解病毒如何攻击人类细胞。

这类嵌合体最常被提及的潜在应用是培育器官，但这种情况可能不会发生在小鼠身上，而是发生在猪等更大的动物身上。当然，这些应用也引发了伦理问题。其中一个伦理考虑是，嵌合体模糊了物种之间的界限，使得我们很难确定这些动物拥有的道德或意识。例如，根据先前的研究报告，动物实验中使用的嵌合体可能被赋予了太多的人类特征，并且具有与我们相似的道德地位或意识。

在考虑这类应用之前，还需要进行很多的讨论。美国华盛顿大学干细胞与再生医学研究所副主任卡罗尔·韦尔（Carol Ware）并未参与这项新研究，她认为，在这一领域成为现实之前，还需要进行更多的探索。目前的几个主要障碍是确定这些人类细胞的宿主物种，以及公众对这项工作的接受程度。

“目前，这种临床机会成为现实的速度似乎不会受到人类器官生长能力的阻碍，”卡罗尔·韦尔补充道。她希望看到当mTOR蛋白被移出实验室培养皿时，这些原始态人类细胞能否再次发育，尤其是一些关键的细胞过程能否再次恢复。冯教授团队的研究结果发表在5月13日的《科学进展》（Science Advances）杂志上。（任天）