为抗击疫情，这群经过基因编辑的小鼠们帮了大忙
吴光明
原创
吴光明
格致论道讲坛
2020-11-17 17:00:00
“我们做动物模型的目的，是为了在动物身上重现新冠病毒感染人类的病症，从而研发出治疗这种疾病的药物和疫苗。”
吴光明
广州再生医学与健康广东省实验室
细胞命运与谱系
研究中心研究员大家好，我是吴光明，来自广州再生医学与健康广东省实验室，我的工作主要是研究早期胚胎发育。
大家知道，胚胎是我们从卵发育成个体的重要阶段，我们人体中的所有器官，最初都是从一个看似非常简单的胚胎发育而来的。从上面的视频中我们可以看到这个早期胚胎发育的过程。其实在第一次胚胎分化的时候，生物体的很多特性就已经开始决定了。而我的工作就是研究胚胎的第一次分化是怎么开始的，由什么基因来决定。我们看到的视频中的每一小团胚胎，最终都会发育成一只小鼠。
而右边图片这一群小鼠，就是我今天演讲的主角——为研究新冠肺炎而准备的易感小鼠。
研究新冠肺炎的动物模型接下来我想给大家分享一下人源化小鼠的故事。今年1月，新冠肺炎疫情突然在武汉爆发。这种新病毒的杀伤力和传染力，给人类社会带来了重创，今天在全球范围内都没有平息。1月23日，我们谱系中心的陈捷凯主任接到武汉封城的消息后，立马发动全实验室积极参与省科技厅的应急攻关项目，为抗击疫情出出力。
我是19年8月才从德国回来，之前20多年都在美国和德国工作。刚回国四个多月就碰到这么大的疫情，我每天从实验室走回宿舍的路上都在想，在国家危难之际，我能做点什么？面对新的病毒，尽快研制出药物和疫苗，是目前的当务之急。虽然我不是研究传染病的，我们不能像医生那样冲在救治的第一线，但是无论是新冠病毒研究、药物试验、还是疫苗测试，都需要大量实验动物模型。
在武汉封城的第三天，我和捷凯主任商量说，不如我们就来做动物模型吧。因为临近春节，大部分人都已经开始放假。项目组的成员都是我们临时抓到谁是谁、东拼西凑来的，大部分都是本地不用回家过年的人。左上图这个女生，她是在离白云机场还有两站地铁的时候，被一条短信给拉回来的。最后从再生医学省实验室和中科院广州生物医药与健康研究院一共召集了8个人。
由捷凯和我负责把控，3个人负责基因编辑，另外3个人负责胚胎操作，大致明确了分工以后，我们就正式开始工作了。因为春节和疫情期带来的停工，给我们的工作也造成了难度，比如提供实验试剂、材料的生物技术服务公司很多处于休业或半休业状态，我们只能想方设法去买。实验需要把样本送到生物岛测序，但快递停了，我们就自己送。
我作为具体实验工作的负责人，需要盯紧每个实验环节的操作，不论哪一个环节出现什么问题，都需要及时想办法解决。因为刚回国几个月，无论是实验室环境、实验设备等，我都还在熟悉的阶段。而且我们这8个人来自不同实验室，又没有时间磨合，工作中可能有很多不确定因素。对我来说那段时间压力非常大。正常情况下，实验是做完一个环节，等结果鉴定后再做下一步。
为了赶时间，我们各个环节都在同步准备，长达一个多月，我们实验室的灯几乎就没有关掉过，因为几乎就没有所有人全部离开的时候。我们做动物模型的目的，是为了在动物身上重现新冠病毒感染人类的病症，从而研发出治疗这种疾病的药物和疫苗。
人源化小鼠的诞生要培育出可以感染新冠病毒的动物，我们先得弄清楚，新冠病毒是怎么感染人的？大家看到，屏幕上这个红色的球体就是新冠病毒，表面这一个个钉子就是病毒的刺突蛋白。
而下方这个树枝状的黄色爪子就是人类细胞表面的ACE2酶。研究发现，和SARS病毒一样，新冠病毒是通过刺突蛋白，来识别和结合人类细胞的ACE2酶，从而进入细胞，感染人体。ACE2酶就是像一把锁，而刺突蛋白就是打开这把锁的钥匙。只要动物体内有与人类高度相近的ACE2酶，新冠病毒就能进入到它们的细胞内，造成人类相同的病症。猴子和人类的基因、包括ACE2酶是高度相似的，所以可以当作实验动物。
但用猴子做模型，对费用、场地和人员操作的要求都很高。为了增加结果的可信度，需要通过大量猴子来反复的进行实验，这是非常困难的。而我们常见的实验动物小鼠，它的个体之间遗传背景高度一致，而且体形小，容易操作，又可以快速繁殖，是一个较为理想的模型动物。但问题是，小鼠的Ace2酶与病毒刺突蛋白结合的关键部位和人有比较大的差异，导致新冠病毒打不开小鼠细胞表面的锁，不能进入小鼠细胞，小鼠就不会感染新冠病毒。
而我们所要做的工作，就是通过基因编辑，把小鼠细胞的锁换成人的，让小鼠表达出人的ACE2，从而让病毒能够进入小鼠细胞，使小鼠对新冠病毒变得易感。其实除了我们实验室，还有很多科学家都在用不同的方式获得易感的实验小鼠，常见的方法有转基因的方式和人源化的方式。转基因的方法就是将人的ACE2基因注射进小鼠受精卵而获得转基因小鼠，这种方法的缺点是，基因表达可能比较随机。
如果这个ACE2酶没有在肺的2型上皮细胞表达出来，而是在肺的其它细胞表达出来，就无法准确的在小鼠复制出新冠病毒的致病过程。另一种方法是制作ACE2人源化小鼠，首先在胚胎干细胞进行基因编辑，把人的ACE2序列准确的插入到小鼠的Ace2基因位点，再从胚胎干细胞制作小鼠。
这种小鼠能在特定组织器官中准确、高效的表达人的ACE2蛋白，可以再现新冠肺炎的病理发生，对于研究新冠病毒的致病机理，药物筛选，以及疫苗评估等，非常有用。人源化的意思就是用人的基因替换掉小鼠的特定基因，让小鼠表达出人的某种特征。通常开发人源化小鼠的方式用的是干细胞与正常胚胎结合的嵌合体技术。这一做法，首先需要做基因编辑模版、因为要在很长的基因串上找到定位，过程通常需要2个月时间。
再在胚胎干细胞用人的ACE2基因替换掉小鼠的Ace2，这个基因编辑的过程至少需要2个月。最后将制作成的嵌合体胚胎，移植到母鼠体内，繁殖得到嵌合体小鼠。第一代小鼠中，来自胚胎干细胞的组织可能会是皮肤，肌肉，而只有形成生殖细胞的小鼠才算合格，让他们交配后传到下一代小鼠，人源化的小鼠才算成功了。这个动物体内的过程大概要4个月。所以在一切都顺利的情况下，整个传统方法得到小鼠要超过8个月。
有的公司用特殊的细胞能稍微快一点，但最快也要6个月。面对来势汹汹的疫情，时间就是生命。我们采用新的方法，只用了一个月，就走完了全部的实验环节。我们团队提出了一个比较独特的技术方案，绕开传统的繁育方式，我们直接对小鼠干细胞进行基因编辑，获得人源化的胚胎干细胞。再结合我们实验室独有的高效四倍体补偿技术制作ACE2人源化的胚胎，直接将胚胎移植到小鼠体内，快速大量生产人源化小鼠。那什么是四倍体补偿技术呢？
四倍体胚胎补偿技术是将四倍体胚胎与二倍体的胚胎干细胞聚合成一个胚胎，在聚合胚胎的发育过程中，四倍体的细胞只能发育成胎盘组织，而胎儿则是由二倍体细胞发育而来。具体来说，首先我们收集小鼠的2-细胞期胚胎，通过电击融合获得4倍体胚胎。小鼠4倍体胚胎有一个特点，因为染色体倍数不对，它不会形成胎儿，只能形成胎盘。
与二倍体的胚胎干细胞聚在一起，经过培养，它们会形成一个完整的胚胎，正好胎盘就可以支持干细胞形成胎儿。有了胎盘，有了胎儿，就可以将人源化小鼠的胚胎直接移植到母鼠的子宫内发育，生下来的小鼠直接就是人源化的小鼠了，绕过了费时的繁殖与筛选过程。这个过程的成功率跟干细胞的筛选和移植技术的熟练有很大关系，通常纯系小鼠的4倍体技术的成功率是小于1-2%。
但我在原来的实验室可以做到60%，现在在新的实验环境中，很多设备和人员还需要磨合，初步的成功率能达到30%。
人源化小鼠因为有着各种各样的不确定因素，直到小鼠出生前一刻，我们心里都没有底。在等待的过程中，大家都很期待，也很焦虑，常常会问我，吴老师，我们的小鼠什么时候出生？能否顺利出生，说实话，我也不知道。我想这也是科学研究的魅力所在。
值得庆幸的是，经过35天，在3月6日，我们第一批的17只人源化的小鼠顺利出生了，并通过了基因型以及基因表达鉴定。从1月31号开始画图做实验方案，到3月6号首批人源化小鼠出生，我们团队用35天时间就造出了ACE2人源化小鼠，现在生产了500多只小鼠，已经送往国家P3实验室进行病毒及疫苗测试了，为抗击疫情赢得了宝贵的时间。目前，我们人源化小鼠的工作还在不断的优化改进。
现在我们大家都知道，新冠病毒感染会出现两种极端状况，有些人是无症状或轻症感染，约有20%的患者会表现为重症。症状最严重的大多是老年人，或患有糖尿病，高血压，心脏病等基础性疾病的病人，但也有一部分相对年轻且没有基础疾病的病人死于新冠肺炎。目前还无法解释为什么会出现这种情况。所以针对有不同基础疾病、有不同临床表现的病人，进行差异分析，是非常必要的，包括分析基因差异和重症的关系，都有助于对症下药。
而这也都需要动物模型来验证和研究。上一批我们所用的黑色小鼠，不容易表现出重症患者的症状，因为它的免疫功能非常强大。所以我们现在正在尝试用白色小鼠建立新的ACE2人源化小鼠模型，并在此基础上对与糖尿病、高血压、老龄化以及免疫疾病相关基因进行编辑，目标是在小鼠建立新冠肺炎的重症模型。这对于新冠肺炎的致死机理研究，药物筛选，以及疫苗评估具有极其重要的作用。
这次疫情就像一面镜子，让我们看到在意外到来时，人类社会做得好的一面和不好的一面，在科学研究上也是这样。我们国家离世界最新最先进的生物技术实际相差不远，基本上国外能做到我们就能做。我们甚至还可能做的更好，这也反映了我们国家科技的一个进步，面对挑战，我们应该自信，应该有底气。这是我们团队少有的一张合照，目前我们的ACE2人源化小鼠项目仍在有条不紊的推进。现在回头看看，我们的成功不是偶然。
面对疫情，团队的所有人没有休假，都在争分夺秒的工作，这让我非常感动。这里我要对我们团队的每一个成员说一声谢谢，谢谢你们的家国情怀和担当精神。我今天就讲到这里，谢谢大家！
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