吴军团队同日2篇Cell论文：利用异种囊胚互补生成功能性脑组织

移植器官短缺已经成为一个全球性的重大公共卫生挑战。根据世界卫生组织（WHO）的数据，全球每年仅有不到 10% 的器官移植需求能得到满足。

异种囊胚互补（Interspecies Blastocyst Complementation，IBC）是一类有潜力缓解移植器官短缺的有效办法，该策略使得在异种动物体内培养另一物种的器官和组织成为可能。领域内一直在尝试通过该技术分化出可用于移植、具有正常生理功能的器官并取得了一定的进展。不过，现阶段尚未通过 IBC 技术培养出脑组织。

近期，Cell期刊连续发表了两篇基于异种囊胚互补技术研究大脑功能和进化的论文，这两项研究利用大鼠干细胞成功构建了大鼠-小鼠前脑嵌合体，且利用大鼠干细胞培养的神经元在小鼠脑部形成了脑回路。这为脑组织如何形成提供了见解，也为恢复因疾病和衰老等原因造成的脑功能异常或者受损提供了机会。

（来源：Cell）

在第一项研究中，研究团队提出了一种高效的异种囊胚互补系统，首次在小鼠体内生成了具有功能性的大鼠前脑组织；在第二项研究中，研究团队利用囊胚互补技术选择性构建和测试不同物种间的神经回路。

吴军是这两项研究的通讯作者，现在是德克萨斯大学西南医学中心副教授。他实验室的重点研究方向是利用异种嵌合体研究进化背景下的发育生物学、身体和器官大小的确定、物种的特定行为特征、癌症耐药性、物种障碍的分子基础以及开发再生医学的新应用。

提出一种 CCBC 系统，简化流程，成功生成功能性脑组织

异种囊胚互补技术是指通过将多能干细胞注入到缺失关键发育基因的宿主囊胚中，由供体细胞补偿宿主缺失的器官或组织，从而培育出源自另一物种的器官。这一技术为实现异种器官培育提供了更多可能性。

此前，研究人员已经利用这项技术在小鼠中培育出了大鼠的胰腺、胸腺、血管内皮组织和生殖细胞，在大鼠中培育出小鼠的胰腺、肾脏和生殖细胞。在最新的研究中，科研团队优化了这一技术并在异种囊胚中首次培育出了脑组织。

根据新闻稿中的描述，传统的囊胚互补方法需要生成和繁殖性成熟的基因编辑小鼠，且需要大量时间鉴定与靶器官互补的候选基因，这一过程耗时耗力。对于妊娠期短和性成熟快的物种筛选杂合致死的基因是一个漫长的过程，而对于牲畜以及非人灵长类动物几乎难以实际应用。

在此背景下，吴军与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心杨辉和周海波以及中国科学院干细胞与再生研究所郭帆合作提出了一种优化版的异种囊胚互补系统——CCBC 系统，其结合了 C-CRISPR 技术和囊胚互补技术。C-CRISPR 能够快速筛选候选基因并利用多个 sgRNA 一步生成完整的基因敲除动物，基因敲除效率达到了几乎 100%。

“CCBC 系统简化了流程，可以快速测试目标基因是否适合囊胚互补，并能够进一步生成器官重建嵌合体。”

（来源：Cell）

在研究中，该团队利用 CCBC 系统测试了 7 个不同的基因，发现 Hesx1 是支持小鼠前脑互补的基因。然后，通过 C-CRISPR 敲除小鼠受精卵里的 Hesx1 基因，阻止宿主细胞向前脑发育，让受精卵发育到囊胚阶段，再分别向基因突变的小鼠囊胚腔注射小鼠胚胎干细胞（mESCs）和大鼠胚胎干细胞（rESCs）补偿宿主缺失的前脑组织，得到了小鼠-小鼠前脑互补嵌合体（Hesx1-/- +mESCs）和大鼠-小鼠前脑互补嵌合体（Hesx1-/- +rESCs）。

研究显示，这两种嵌合体均存活至成年，且体重生长曲线与传统嵌合体（WT+mESCs）相似。在大脑皮层和海马体中，Hesx1-/- +mESCs 和Hesx1-/- +rESCs 皮层厚度和细胞密度与 WT+mESCs 均相似。

接下来，研究团队评估了大鼠-小鼠前脑互补嵌合体中大鼠神经元的功能，结果显示由 rESC 衍生的神经元能够从这一区域向丘脑、上丘和脑干中脑区域投射轴突。后续，确认了Hesx1-/- 小鼠胚胎可以为供体 rESCs 提供适宜的发育环境，帮助其形成功能性的大鼠前脑组织。还通过比较和分析大鼠细胞在嵌合体与 WT 大鼠中的转录组差异，潜在解释了宿主Hesx1(-/-) 小鼠细胞如何影响供体大鼠细胞以及帮助它们在前脑中存活和分化。

不过，研究人员没有测试基于注射大鼠干细胞生成的前脑是否改变了小鼠的行为。吴军在接受采访时表示，“缺乏良好的行为测试来区分大鼠和小鼠行为，但从我们的实验来看，这些具有大鼠前脑的小鼠似乎并没有表现异常。”

为异种嵌合体神经元连接提供更多支持

在另一项研究中，研究人员确定了大鼠 PSC 可以在小鼠胚胎内发育，并产生具有由两个物种神经元构建的具有功能性神经回路的嵌合大脑。

根据研究人员的描述，再生神经科学的一个核心问题是合成神经回路，比方说由两个物种构建的神经回路是否可以在脑部发挥作用，从而挽救或增强受损或退化的脑功能。领域内的新方法包括脑内重编程、选择性神经移植或脑机接口等等。了解神经可塑性如何克服脑部大小、发育时间、细胞类型组成、回路结构以及行为能力的物种差异可以为恢复发育障碍、衰老和退行性疾病中脑功能提供一些思路。

为了深入研究这些问题，斯克里普斯研究所神经科学系 Kristin Baldwin 等尝试利用囊胚嵌合方法在完整的脑中构建和功能性测试来自两个物种神经元的“合成”神经回路。研究人员开发了一种选择性神经囊胚互补的方法，他们使用特定基因杀伤或沉默小鼠嗅觉感觉神经元，以小鼠囊胚作为宿主，然后将大鼠或不同的小鼠品系干细胞注射到小鼠囊胚中。

（来源：Cell）

在这些大脑嵌合体中，大鼠细胞与小鼠神经元同步发育，并广泛整合到整个野生型（WT）小鼠大脑的神经回路中，与小鼠神经元形成活跃的突触连接。当小鼠嗅觉感觉神经元（OSN）被杀死或沉默时，大鼠替代神经元会挽救嗅觉回路解剖结构，参与信息传递，并可以部分恢复觅食行为。

“我们进行的行为测试以及突触染色和电生理学等分析为小鼠前脑组织的功能提供了令人信服的证据，但缺乏在嵌合体大脑中大鼠和小鼠神经元之间功能连接的直接证据。同期 Kristin Baldwin 等的相关研究为异种嵌合脑内大鼠和小鼠神经元之间的功能连接提供了更多支持。”第一篇研究论文中的讨论部分这样写道。

囊胚互补对小鼠嗅觉神经回路的恢复作用也会因模型而异。当小鼠神经元存在但沉默时，与杀伤模型相比，大鼠神经元有助于形成组织更好的大脑区域。然而，当研究小组通过训练这些大鼠-小鼠嵌合体寻找埋在笼子里的饼干测试这些大鼠-小鼠嵌合体时，在杀伤模型中，大鼠神经元在挽救行为（rescuing behaviors）方面表现最好。

“这一结果使我们能够了解这两种疾病模型之间的差异，并尝试找出有助于恢复任何一种脑部疾病功能的机制。我们还使用具有正常嗅觉系统的小鼠细胞测试了疾病模型小鼠的囊胚互补性，发现物种互补可以挽救两个动物模型发现饼干（觅食）的能力。”

临床应用还比较远

这两项研究都表明来自不同物种的干细胞可以与宿主大脑同步发育。比方说，研究小组可以使用这种方法研究许多在实验室环境中无法接触到的野生啮齿动物的脑组织。

“世界上现存有超过 2,000 种啮齿动物，它们中的许多行为与我们通常在实验室研究的啮齿动物不同。异种神经囊胚互补可能为研究这些物种的大脑发育、进化和功能打开大门。”吴军在接受外媒采访时说。

另一方面，虽然囊胚互补距离临床应用还比较远，但是上述两项研究为利用囊胚互补培育脑组织以及恢复脑部功能异常进行了概念验证，未来具有转化应用潜力。

在第一项研究中，研究人员提到，rESC 衍生的神经元不仅能够功能整合，而且能够在小鼠前脑内富集。这一发现表明实现异种神经囊胚互补是研究大脑发育以及潜在用于疾病变革性疗法的关键一步。

在第二项研究中，研究团队指出，这一研究为证明大鼠-小鼠嵌合大脑可以形成具有不同功能的异种神经回路提供了原理证明，也为未来这些系统的应用奠定了基础。“我们利用大鼠的干细胞恢复了小鼠的嗅觉神经回路及其功能，有助于揭示大脑在利用合成神经回路恢复脑功能方面的灵活性。”

此外，囊胚互补在器官移植方面具有很大以及迫切的应用潜力。但由于存在多个技术壁垒和伦理障碍等等阻碍了这一技术的发展，走向应用还有很长的路要走。就目前来看，仅在小鼠和大鼠之间成功实现了异种器官再生，在动物体内生成的人体器官或者组织绝大多数也仅仅限于内皮和肌肉。

进一步讲，现阶段，人多能干细胞在异种胚胎中的嵌合效率和水平还非常低，有研究认为不同物种在胚胎发育阶段的差异是影响嵌合的主要原因之一，细胞竞争也是异种嵌合体形成的障碍。

素材来源官方媒体/网络新闻

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