如果把人体比作一辆汽车,那么体内的各种器官就相当于车里的零件。汽车出现故障,更换零件后还能上路,要是人的器官能像汽车零件一样,坏了就做个器官移植,这辆“人体汽车”一定会跑得更久吧?
器官移植是将器官整体或局部从一个个体通过手术方式转移到另一个个体的过程。其目的是用功能正常的器官替代损坏或功能丧失的器官。目前,器官移植的瓶颈是供体短缺问题,仅在中国,每年就有150万左右的患者等待器官移植,而依靠捐献完成的器官移植仅有1.1万例,供求比仅为1:150。
为了解决人类移植器官的来源问题,人们纷纷把目光聚焦在动物身上。与人类最接近的是猩猩、猴子等非人灵长类动物,但是它们体内存在众多会感染人的病毒,繁殖能力相对较弱,并不适于作为大量的器官供体来源。而猪被视作一种比较理想的器官供体来源,其器官大小、解剖和生理生化特征与人相似性高,还具有较强的繁殖性能。然而,要将猪的器官移植给人类,首先要解决免疫排斥反应和猪源病毒危害人类健康这两个问题。
干细胞(Stem Cell)是一类具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化潜能的细胞类型。因其在体内体外分化形成各种细胞类型的能力,因而在发育生物学和再生医学研究中具有重要的应用价值。
自从1998年美国科学家James Thomson首次分离得到人类胚胎干细胞(ESCs)之后,各国科学家致力于利用人胚胎干细胞在体外分化成神经细胞、心肌细胞、胰岛细胞等多种功能细胞,并利用动物模型开展临床前的研究工作。
异种嵌合体技术是将一种动物的多能性细胞注射到另外一个物种的早期胚胎和胎儿以及成体中,形成一个具有两个物种来源嵌合体的方法。利用干细胞的体内发育潜能,通过异种嵌合技术在动物体内实现异种组织、器官再造,可直接将获得的人类器官进行器官移植或组织修复,它被视为供体器官来源的一种更优的解决方案——这就是异种器官再造!
2010年,日本京都大学科学家Nakauchi利用小鼠(mouse)和大鼠(rat)两个啮齿类物种实现了干细胞的异种器官的再造。他们尝试将大鼠胚胎干细胞注射到胰腺缺陷的小鼠囊胚中,在小鼠中生成了大鼠的胰腺,首次证明了通过胚胎干细胞与异种的胚胎嵌合可以在异种体内生成器官。在随后的研究中,人们利用小鼠、大鼠作为模型获得了胸腺、肾脏等多种器官,并证明了这些器官具有正常的生理功能。
如何提高人类胚胎干细胞的发育潜能,似乎是解决异种器官再造问题的关键因素。小鼠的胚胎干细胞是从着床前小鼠囊胚中分离得到的,被认为是目前多能性最高的多能性干细胞(Naive状态),不但能在同种和异种(大鼠)体内获得嵌合体,而且都能够独立的发育为一个个体。
然而,此前获得的人胚胎干细胞从形态、培养成分到分化和分子特征等方面与Naive状态有较大的区别(Primed状态),并且由于伦理问题不能在像小鼠一样在人体内证明这些干细胞的发育潜能。近年来,大量的研究试图获得发育能力更高的Naive状态的人胚胎干细胞,通过转基因和小分子等培养基优化获得了增殖能力形态以及其他分子特征类似于Naive状态的ESCs。
虽然,人类、猴子等灵长类胚胎干细胞的多能性状态及其在异种体内分化潜能尚不完全清楚,细胞存活、分化识别,发育时程等关键问题仍未解决,人胚胎干细胞异种嵌合还面临着干细胞发育潜能、细胞存活、发育时称匹配等诸多困难,但是各国科学家正在为实现异种器官再造而努力。自然界许多生物存在再生能力,海参抛掉的内脏能够再长出来,蝾螈的断肢也可以生长如前。
对于病变或缺损的器官,人类还不能像海参、蝾螈等生物一样,可以自行长出器官进行替换。不过,随着干细胞与再生医学研究领域的进步,异种器官再造等“黑科技”有望能在十年甚至更短的时间内实现。到那时,人类也可以拥有强大的再生能力啦!