責編 | 兮
在目前臨床器官移植技術日趨成熟的情況下，全球性的供體器官短缺的問題日顯突出。幹細胞研究和克隆技術的一系列突破使人們對再生醫學人造組織和器官的前景產生了許多期待。尤其是利用胚胎或多能幹細胞在體外分化、發育成可供移植的供體器官或組織，被認為是一個方向。但幹細胞要在體外正常分化、發育成完整的且功能複雜的實體器官，並能適合臨床應用是非常困難的。為了解決移植器官來源嚴重不足的難題，早在2017年，現任職美國得克薩斯大學西南醫學中心（UT Southwestern Medical Center）的吳軍博士就發表了世界第一例人豬嵌合體胚胎的研究文章，該工作在倫理許可的實驗條件下，第一次證明了科學家們能將人誘導多能幹細胞（Induced pluripotent stem cell, iPSCs）注入豬植入前胚胎，培育出不同程度的人豬嵌合體胚胎，這項異種胚胎嵌合發育研究的創新性工作，是幹細胞研究領域的一個里程碑【1】，但該研究也顯示出人誘導多能幹細胞在其他物種動物胚胎內嵌合難度大，總體嵌合比例較低，存在來自物種間的進化差異和發育壁壘影響異種嵌合體效率。
為了理解這種壁壘和解決人類多能幹細胞嵌合率低下的問題，2021年1月28日，吳軍博士聯合中山大學附屬第一醫院、深圳華大生命科學研究院為主的科學家團隊在Nature雜誌上聯合發表題為“Cell Competition Constitutes a Barrier for Interspecies Chimerism”的研究文章，首次報道發現細胞競爭是阻礙跨物種嵌合體形成的壁壘之一，且不同物種間幹細胞在特定階段普遍存在細胞競爭現象。
在該研究中，研究人員首先創新性地發現使用完全相同的培養條件，可以穩定培養多個物種的多能幹細胞。有了這種統一的培養方法，研究人員首先嚐試將人胚胎幹細胞（H9 ESCs）和小鼠上胚層幹細胞（mEpiSCs）進行了體外共培養，驚奇地發現這兩個物種的始發態（Primed）幹細胞有著不同的競爭力狀態，來自小鼠的細胞在接觸人類細胞時，可作為優勝者(“Winner”)，透過細胞競爭，誘發作為失敗者(“loser”)的人類幹細胞程式性死亡，但處於原始態（Naïve）的幹細胞和分化後（differentiated）的細胞卻沒有這種現象。將始發態的人誘導多能幹細胞（iPSCs）注入小鼠胚胎，觀察到了與體外共培養實驗共同的現象，即小鼠早期胚胎可以利用細胞競爭機制“殺死”外來的人類幹細胞，從而導致人鼠嵌合胚胎的嵌合率低下。
圖1人和小鼠始發態（Primed）幹細胞競爭，導致人細胞的凋亡
進一步研究發現這種細胞競爭依賴於細胞間的接觸以及細胞凋亡。透過分離出共培養的人H9細胞，進行RNA 測序，發現在共培養的第一天NF-κB訊號通路明顯處於啟用狀態。將NF-κB訊號通路的關鍵因子MYD88或P65在人H9細胞中敲除，細胞競爭現象消失。基於此，研究人員透過抑制NF-κB訊號通路在人iPSCs的啟用，可以提高人鼠嵌合胚胎的嵌合率。為了確定自然界中其他物種幹細胞間是否存在這種細胞競爭現象，研究人員選擇了小鼠、大鼠、獼猴、人和牛的始發態（Primed）幹細胞，同樣發現處於該階段的幹細胞，不同物種之間存在不同水平的競爭力狀態，大小鼠之間和人猴之間的幹細胞競爭力相似，未發現明顯的細胞競爭現象，但大小鼠（齧齒類）、人猴（靈長類）和牛始發態幹細胞之間相對競爭力狀態是不同的，這種競爭力狀態的不同會導致細胞競爭的發生，表現在共培養體系中，競爭力強的Winner誘發loser凋亡，而且這種競爭力狀態似乎跟物種間進化距離密切相關。
圖2 不同物種間始發態（primed）幹細胞有著不同的競爭力
據悉，該文章的共同第一作者為來自合作研究單位中山大學附屬第一醫院的鄭燦鑌博士、深圳華大生命科學研究院的胡瑩瑩博士和美國得克薩斯大學西南醫學中心的Masahiro Sakurai博士。鄭燦鑌博士稱：“這項研究發現了不同物種的幹細胞在特定時期下存在不同競爭力狀態，導致細胞競爭發生，並揭示了相關機制，豐富了細胞競爭理論學說，為深入理解異種嵌合發育的壁壘機制提供了新的思路。”
該文章的通訊作者為得克薩斯大學西南醫學中心分子生物學系助理教授吳軍博士，吳軍博士團隊一直從事和關注多能幹細胞的基礎和應用研究，已經發表多篇具有影響力的文章。吳軍博士稱：“儘管近些年在產生齧齒動物種間嵌合體方面取得了很多突破性的進展，但在進化距離更遠的物種之間仍未實現穩固的嵌合。在種間嵌合體形成過程中，供體的細胞可能被視為異常的細胞而透過細胞競爭被消除。克服種間幹細胞競爭可以提高供體多能幹細胞在異種嵌合體裡的嵌合率。”
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03273-0
參考文獻
1. Wu, J., et al., Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells.Cell, 2017. 168(3): p. 473-486 e15.