世界首次！中国科学家在猪身上培育出类似人类的肾脏
——研究人员在猪体内培育胚胎人源化肾28天
研究人员已经成功地创造了包含人类和猪细胞组合的嵌合胚胎。移植到代孕母猪体内28 d后，发育中的人源化肾脏结构正常，小管形成。这是科学家首次能够在另一个物种体内培育出一个坚实的人源化器官，尽管之前的研究曾使用类似的方法在猪身上培育出血液或骨骼肌等人体组织。
广州生物医学与健康研究院的研究人员成功地创造了包含人类和猪细胞组合的嵌合胚胎。移植到代孕母猪体内28 d后，发育中的人源化肾脏结构正常，小管形成。这是科学家首次能够在另一个物种体内培育出一个坚实的人源化器官，尽管之前的研究曾使用类似的方法在猪身上培育出血液或骨骼肌等人体组织。这项研究发表在9月7日的《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）杂志上。
研究人员之所以关注肾脏，是因为肾脏是最早发育的器官之一，也是人类医学中最常见的移植器官。
中国科学院广州生物医学与健康研究院和五邑大学的资深作者包括Liangxue（薛亮，音译）, Guangjin Pan（潘广进，音译）, Dai Zhen（贞黛，音译）和Miguel A. Esteban。
研究人员指出：
老鼠器官已经在小鼠身上培育出来，老鼠器官也已经在大鼠身上培育出来，但之前在猪身上培育人类器官的尝试都没有成功。我们的方法改善了人类细胞与受体组织的整合，并允许我们在猪身上培育人类器官。
将人类干细胞整合到猪胚胎中一直是一个挑战，因为猪的细胞比人的细胞更具竞争力，而且猪和人的细胞有不同的生理需求。
研究人员指出：
我们一直在研究克服物种间嵌合体效率极低的机制，我们确定了几个通过促进细胞竞争来增强种间嵌合体形成的关键因素。
该团队的技术取决于三个关键组成部分：
首先，他们利用CRISPR对单细胞猪胚胎进行基因工程改造，使其缺失肾脏发育所需的两个基因，从而在猪胚胎内创造了一个生态位，这样人类细胞就不必与猪细胞竞争。
第二，研究人员对人类多能干细胞进行了基因工程改造，这些细胞有可能发展成任何类型的细胞，使它们更易于整合，并且通过暂时停止细胞凋亡而不太可能自我毁灭。然后，他们将这些细胞在一种特殊的培养基中培养成类似于早期人类胚胎细胞的“naïve”细胞。
第三，在将发育中的胚胎植入代孕母猪之前，研究人员在经过优化的条件下培养嵌合体，以便为人类和猪的细胞提供独特的营养和信号，因为这些细胞通常有不同的需求。
广州
研究人员总共向13个代孕母猪移植了1820个胚胎。在25天或28天后，他们终止妊娠并提取胚胎，以评估嵌合体是否成功产生了人源化肾脏。
研究人员收集了5个嵌合胚胎进行分析(2个在植入后25天，3个在植入后28天)，发现它们的肾脏在其发育阶段的结构上是正常的，并且由50-60%的人类细胞组成。25 ~ 28 d时，肾脏处于中肾期(肾脏发育的第二阶段)；它们形成了小管和细胞芽，最终成为连接肾脏和膀胱的输尿管。
该团队还调查了在整个胚胎中，人类细胞是否对其他组织有贡献，这可能会产生伦理影响，特别是如果在神经或生殖细胞系组织中发现大量人类细胞，而这些猪是被带至足月的。他们表明，人类细胞大多位于肾脏，而胚胎的其余部分由猪细胞组成。
研究人员指出：
我们发现，如果你在猪胚胎中创造一个生态位，那么人类细胞就会自然进入这些空间。我们在大脑和脊髓中只看到很少的人类神经细胞，而在生殖嵴中没有人类细胞，这表明人类多能干细胞没有分化成生殖细胞。这可能通过敲除人类多能干细胞中的更多基因来进一步阻止，这可以在未来的研究中进行测试。
现在，他们已经优化了在人猪嵌合体中培育人源化肾脏的条件，研究小组希望让肾脏发育的时间更长。他们还在努力在猪身上制造其他人体器官，包括心脏和胰腺。
长期目标是优化这项技术用于人体器官移植，但研究人员承认，这项工作将很复杂，可能需要很多年。由于器官由多种类型的细胞和组织组成，在猪体内培育一个功能完整的人源化器官需要一些额外的步骤。在这项研究中，研究人员只为一个细胞亚群创建了一个龛（niche），这意味着肾脏含有来自猪的血管细胞，如果它们用于移植场景，这可能会导致器官排斥。
研究人员出：
因为器官不是由单一的细胞谱系组成的，为了拥有一个一切都来自人类的器官，我们可能需要以一种更复杂的方式来设计猪，这也带来了一些额外的挑战。
同时，这项技术可以用于研究人体器官的发育和发育性疾病。
研究人员指出：
在我们制造出可用于临床实践的器官之前，这种方法为研究人类发育提供了一个窗口。你可以追踪你正在注射的人类细胞并操纵它们，这样你就可以研究疾病以及细胞谱系是如何形成的。
原文图 1 具有优良嵌合潜能的人4CL/N/B PSCs的产生
原文图 2 用人4CL/N/B iPSCs补充有肾缺陷的猪胚胎
附：该研究背景信息
器官移植缺乏免疫组织相容性供体是一个普遍存在的问题，目前尚无直接解决办法。一种有前景的替代方案是在携带人类组织的大型哺乳动物中，通过胚胎与多能干细胞(PSCs)互补，产生可存活的种间嵌合体，PSCs可接管通过基因编辑在宿主体内形成的特定器官发生障碍生态位。
小鼠和大鼠的胰腺、胸腺和肾脏等器官已经成功实现了种间器官发生。鉴于猪在生理和器官大小以及胚胎发育方面与人类相似，因此猪是生长人类器官的一个非常有吸引力的目标。然而，在啮齿类动物以外的哺乳动物中获得高度的嵌合体一直具有挑战性。
虽然在ETV2或MYF5/MYOD/ myf6无效猪胚胎中已经产生了人类内皮和骨骼肌组织补丁，但由于人类PSC来源的细胞对猪组织的贡献总体较差，迄今为止还没有产生实体器官。
种间嵌合率低的主要原因有两个：(1)在囊胚和随后的组织龛中与供体细胞的竞争；(2)供体人PSC来源细胞和宿主细胞之间的发育状态差异，阻碍了发育同步进程。
在注射的PSCs中激活促生存通路可以通过拮抗细胞竞争诱导的凋亡来促进嵌合体。在这方面，该研究团队报告了MYCN和BCL2 (N/B)的结合大大增强了小鼠，兔和猪胚胎的生态位内竞争力，与单因子过表达相比。
此外，该研究团队最近开发了一种新的培养基，可以使人PSCs逐步回退到更早期的发育阶段，而在转化过程中没有明显的基因组稳定性问题。该培养基(4CL)可在胚胎第10.5天(E10.5)达到1%的人-小鼠嵌合，这与过表达抗凋亡因子的预充PSCs的整合效率相当。
人类肾脏是世界上移植最多的实体器官之一，也是胚胎发育中最早出现的实体器官之一。它经历了前肾、中肾和后肾的顺序分化。前肾和中肾的形成和消退是经过精心安排的，随后输尿管芽侵入后肾间充质，从而启动后肾的形成。
对不同哺乳动物肾脏发育的研究表明，SIX1调节中肾小管(中肾)的形成和后肾发育的输尿管芽分支，而SALL1在后肾间充质中维持肾单位祖细胞和新生肾单位。
因此，该研究团队假设工程SIX1/ sall1无效猪胚胎将产生从早期中肾到晚期后肾的肾脏缺陷生态位，这可以允许人类PSCs填补整个肾脏发育程序。
他们还设想，结合N/B过表达和优化的PSC培养条件，可以在胚胎互补后实现更高程度的嵌合，从而有助于在这些器官发生障碍的猪中产生人肾原基。
为了进一步优化高异种嵌合体效率，他们还解决了其他潜在的瓶颈，如囊胚互补程序
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