這名8歲輟學的農家少年，有望改寫人類器官移植格局

▎葯明康德/報道

貝爾蒙特（Juan Carlos Izpisua Belmonte）教授花了數年時間研究基因如何控制身體各個組織的形狀，是什麼讓細胞發育成翅膀而不是腿。他像個交通警察一樣，引導細胞向左走還是向右走。他找到了一種方法，讓動物長出額外的肢體。他一直在思索，為什麼蠑螈在失去身體的一部分後還能重新長出完美的新器官。他想知道，人類也能有這樣的能力嗎？

位於SALK研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte實驗室（圖片來源：STAT)

現在，貝爾蒙特教授的團隊可能找到了一種方法，「人豬」嵌合體（chimeras）——含有人類細胞的胚胎豬。

如果這項發明能夠應用，最終將可以用來培育完整的人體器官，緩解器官移植的致命短缺。它們也可用於藥物臨床試驗：豬體內的人肺可能比目前用的試驗動物更能準確地預測在研藥物（例如囊性纖維化）的療效。

他終於找到自己一生中最想做的事

57歲的貝爾蒙特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。

巴倫西亞大學藥學院（圖片來源：巴倫西亞大學）

後來，貝爾蒙特教授一直念完博士，又去了德國海德堡的一個實驗室做博士後，研究胚胎基因學。在充滿了基因和胚胎組織的實驗室，作為生物學家的貝爾蒙特教授考慮了一個哲學問題：單一的細胞怎麼能發育成一個完整的個體？細胞分化的指示從哪裡來？人類與其他動物究竟有多少差異？

他說，他終於找到了自己一生中最想做的事。

1993年，貝爾蒙特教授加入Salk研究所，成為全球最著名的生物醫學研究所之一的一員。不久後，胚胎幹細胞的研究開始興起，這也讓貝爾蒙特教授看到了它的潛力。2003年，貝爾蒙特教授的祖國西班牙通過了一項批准幹細胞研究的法規。第二年，他就幫助建立了巴塞羅那再生醫學中心（Centro de Medicina Regenerativa de Barcelona），在那裡可以開展幹細胞研究工作。這也讓他成為了西班牙幹細胞研究的領軍人物。

在美國和西班牙的實驗室，貝爾蒙特教授都不滿足於研究雞和老鼠——胚胎學的標準實驗動物。他在實驗室飼養了墨西哥蠑螈（Mexican axolotls），這種兩棲動物不僅可以再生肢體，還可以再生下巴，脊椎和大腦。

墨西哥蠑螈（圖片來源：Izpisúa Belmonte Lab）

他在聖地亞哥的實驗室也是當地研究斑馬魚（zebrafish）的第一個實驗室，斑馬魚的胚胎髮育是透明的，肉眼就可以觀察。貝爾蒙特教授說：「我的實驗室就像一個動物園」。

斑馬魚（圖片來源：Izpisúa Belmonte Lab）

他開始探索四肢的再生。對貝爾蒙特教授來說，四肢就像「身體外的小胚胎」。四肢包含許多不同類型的細胞，包括肌肉，骨骼，皮膚和神經，但是它們可以通過特定和複雜的模式，完成再生。另一方面，四肢也很像器官，兩者都有相同的基因和發育途徑。

來自不同物種的組織可以一起生長？

2006年，日本科學家山中伸彌發現，成年細胞可以重新編程成幹細胞，減輕大多數道德問題，再次激活了幹細胞研究領域（他後來被授予諾貝爾獎）。一時間大家都認為幹細胞能夠產生任何物質，包括人體器官，彷彿能夠解決一切醫學難題。許多實驗室蜂擁而上研究幹細胞，包括貝爾蒙特教授也嘗試過在支架上誘導表達不同的幹細胞類型，使其長成特定的器官。

但這些試驗大多以失敗告終。貝爾蒙特教授說：「當時我們試圖用有限的知識來模擬自然」，但是後來發現不能在培養皿中「訓練」細胞，也不能形成複雜的三維結構。

然後突然靈光一閃。貝爾蒙特教授想起他去德國做博士後發表的第一篇文章中，將小鼠胚胎組織移植到小雞胚芽後，發育正常。這表明，發育信號在不同的物種中可能是相似的，而且來自不同物種的組織可能可以一起生長！原來，嵌合體的想法老早就在貝爾蒙特教授的腦中存在了，雖然此後它被擱置了很多年。

貝爾蒙特教授立馬在小鼠中開展嵌合體研究。他成功了。各種類型的人類幹細胞都可以在小鼠體內生長。但他很快發現，即使可以在老鼠身上長出人類的肝臟，體積也太小了，沒有使用價值。

貝爾蒙特教授想到了大型動物。將多能幹細胞注入早期胚胎的技術，已經證明可以生成「人牛」嵌合體。但是他發現豬更便宜，而且便於研究。豬和人類在大約9600萬年前擁有共同的祖先，豬的器官大小跟人相似，也有在人類醫學上應用的先例。

貝爾蒙特教授和吳軍博士（圖片來源：SALK研究所）

所以，他最終選擇建立「人豬」嵌合體。但是，讓人類細胞在豬體內生長比他們想像的困難得多。最後，這項研究花了4年時間，遠超預期。

貝爾蒙特實驗室的高級研究員吳軍博士是項目主要研究人員，他說：「我們原本已經不指望（在豬胚胎里）看到任何人類細胞了」。

4年，9000頭豬，2000個胚胎

貝爾蒙特教授最後是怎麼實現這個不可能的任務，突破「人豬」嵌合體培育的重重困難呢？

首先，他利用了規模思維。他召集了西班牙農場的40名豬農，花了4年時間在9000頭豬身上進行實驗，將人類幹細胞注入近2000個豬胚胎。

西班牙Agropor工廠的豬，供嵌合體實驗使用（圖片來源：STAT）

其次，貝爾蒙特教授對發育的理解十分深刻。豬胚胎髮育只要3個月，而人類需要9個月，豬和人類細胞在一起發育，就像高速公路上行駛不同速度的汽車，最後一定容易出事故。為了克服這個問題，貝爾蒙特教授在實驗中使用了不同年齡的人類幹細胞。理論上，接近原始分化狀態的幹細胞可能最有效，因為它們具有分化為任何類型細胞的潛力；但最終結論是，豬胚胎更容易接受中間狀態或稍微老化的人類幹細胞。

此外，貝爾蒙特教授也考慮到幹細胞發育的空間問題，他是考慮該問題的第一人。去年，他發表了一篇「區域特異性」幹細胞的文章，發現一些幹細胞的功能更強大是依賴於它們在胚胎中的起源位置。

在這項研究中，注入人類多能幹細胞的豬胚胎在培養皿里生長了幾天後，被移植到代孕母豬體內繼續發育。21到28天之後（豬的妊娠期是114天），研究員收集到186隻存活的胚胎。

雖然成功率很低，但是他們做到了。通過在豬胚胎里注入人類幹細胞，貝爾蒙特教授團隊實現了10萬個人類細胞中有1個能夠在豬胚胎里存活！

在4周齡的嵌合型豬胚胎中，發育中的心臟中的人類細胞（綠色）（圖片來源：SALK研究所）

雖然人體細胞比例微乎其微。而且這離培育成器官，還隔著免疫排斥、神經和血管生成的距離，但是哈佛醫學院院長，幹細胞研究專家Daley教授仍然將這個發現視為「巨大的突破」。

CRISPR技術19天改變達爾文進化規則

這離人類器官移植的臨床需求又進了一步。但是貝爾蒙特教授坦承，在豬身上培育人體器官還有很長很長的路要走。

首先，需要研究出人類細胞比例更高的嵌合體。現在他們已經有了突破的方法。其中之一就是被譽為「魔剪」的基因編輯技術CRISPR。利用CRISPR來編輯參與器官發育的基因，可以在宿主的基因組中產生一個空位，然後插入理想的供體基因。

利用CRISPR進行「小鼠大鼠」嵌合體的試驗很成功，產生了胰腺、心臟和眼睛中富含大鼠細胞的小鼠。甚至在小鼠的膽囊內，研究人員都觀察到了大鼠細胞。這個結果令貝爾蒙特教授令人震驚——數百萬年以來，自然界的大鼠都沒有膽囊。

在嵌合小鼠胚胎中，發育中的心臟含有大量的大鼠細胞（圖片來源：SALK研究所）

他說：「這真是太棒了，進化的發生不需要經過數百萬年，而是19天（小滑鼠准妊娠時間）」！

目前，貝爾蒙特教授正在致力於使用CRISPR技術來增加豬器官中的人體細胞數目。他們實驗室發現了兩種新型的幹細胞，現有實驗顯示這些幹細胞在嵌合體中的存活能力更加強大。其中一種被認為是幹細胞研究的頂峰，因為除了能夠在體內產生任何類型的細胞之外，它還可以形成胚胎生存需要的組織，如胎盤和羊膜。

結束語

由於倫理的原因，目前，這些「人豬」嵌合體不允許發育到胎兒階段。但是科學家希望，這項發明最終可以用來培育完整的人體器官，緩解器官移植的致命短缺。以美國為例，此時此刻，正在排隊等待器官移植的患者人數高達12萬。然而，能夠用以移植的器官數量卻非常有限，死神往往比可移植的器官更早到來，奪走患者的生命。據估計，2016年，每天都有22名患者在等待器官移植的過程中死去。

為成千上萬的絕望的人創造器官移植機會，這也是貝爾蒙特教授認為他能做的最重要的事情之一。我們共同期待技術造福人類健康的那一天早日到來。

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