世界各地每年有成千上萬的人接受器官移植。儘管器官移植的醫學技術已經迅速發展，但捐獻器官的數量卻滯後不前。全球資料難以獲得，但平均而言，在歐洲每天有16人，在美國每天有22人在等待心臟、肝臟或其他器官移植時去世。此外，需要新器官的人數與可用於捐獻的器官數量之間的差距持續擴大。
緩解短缺的一種方法是在實驗室中培育替換器官。幾年前，科學家們認為他們可以透過使用幹細胞（可以產生不同型別組織的祖細胞）和人工支架來製造新器官。然而，研究人員一直在努力協調幹細胞的發育以產生功能齊全的人體器官。關於這種方法的研究仍在繼續，但進展緩慢。
包括我在內的一小部分但數量不斷增加的研究人員認為，可能還有另一種方法：讓大自然來完成繁重的工作。進化已經創造了一個精妙的過程，將少數相同的細胞轉化為構建整個複雜生物體（無論是小鼠還是人）所需的所有專門器官和組織。這種精湛的表現在受精卵產生胚胎後的幾周和幾個月內發生，胚胎生長並在沒有依賴人工支架的情況下，發育成具有發育良好的心臟和肺、腎臟和其他組織的完全成熟的動物。我們相信我們可以找到一種方法，從豬等動物身上獲取器官，供人類使用。
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當然，正常豬的心臟對於需要移植的人來說幾乎沒有用處。首先，我們的免疫系統會強烈排斥直接的跨物種移植。（豬心臟瓣膜只有在經過化學處理以防止這種免疫反應後，才能作為人體組織的合適替代品——這個過程會破壞複雜器官的功能能力。）我和我的同事認為，在豬或牛等動物體內培育完全或幾乎完全由人類細胞構成的人體器官是可能的。由此產生的動物將是嵌合體——一種結合了兩種不同物種部分的生物，很像神話中的格里芬，它具有鷹的頭部和翅膀以及獅子的身體。我們的夢想是透過將人類幹細胞注射到經過精心準備的動物胚胎中來創造嵌合體，這樣當它們完全長大時，它們就包含一些由人類細胞組成的器官。在犧牲動物後，我們將收穫由人類細胞組成的單個心臟、肝臟或腎臟，並將其給予需要移植的人。
這個想法聽起來可能很牽強，但美國和日本的研究人員已經證明這在原則上是可行的。幾個不同的團隊將定製設計的小鼠胚胎注射了大鼠幹細胞，然後讓由此產生的嵌合體在代孕小鼠母親體內發育。經過幾周的妊娠，代孕母親生下了看起來和行為都像小鼠的動物——只是它們有大鼠的胰腺。我的實驗室和其他小組的研究人員已經邁出了下一步，將人類幹細胞注射到豬胚胎中。其中一些注射“成功了”，我們證實人類組織已經開始正常成熟。然後，我們將嵌合胚胎轉移到代孕母豬體內，在那裡我們讓它們發育了三到四周。在完成更多中間實驗後，我們將允許胚胎生長几個月，屆時我們將確定它們有多少細胞是人類來源的。如果這些實驗成功——並且我們獲得州和地方當局的許可繼續進行——我們預計將使胚胎能夠足月生長（對於豬來說大約是四個月）。
我們離實現生產嵌合小豬的最後一步還很遠。關於如何最好地製備人類幹細胞和動物胚胎，以便嵌合體在整個妊娠期間保持活力，我們還有很多東西要學習。可能會有很多問題出錯。但即使我們無法創造完全形成的器官，我們發現的技術也應該幫助我們更好地瞭解包括癌症在內的許多複雜和毀滅性疾病的發生、發展和臨床結果。如果成功，這種方法可能會對器官移植療法產生巨大的影響。隨著我們從農場動物身上為全球成千上萬受苦受難的人們開發出充足的替換部件供應，等待名單可能會成為過去。
向大自然學習
近年來，生物學家們對胚胎如何生長了解了很多，我們已經初步開始根據我們的意願調整這一過程。我們也認識到這種生長在多大程度上受到發育中的生物體內不同細胞在不同時間點的精確位置的引導。細胞製造並釋放稱為生長因子的專門蛋白質，這些蛋白質根據其在胚胎不同區域內的濃度，反過來啟用和沉默大量內部遺傳程式。依靠我們仍然不完整的理解和大量的反覆試驗，我們實驗室和其他地方的研究人員正在操縱豬胚胎，使其產生最終會產生人類腎臟、胰腺或其他器官的組織。
我們使用的原材料包括豬卵子和精子（取自動物）以及人類幹細胞（在細胞培養物中生長）。我們用豬精子給豬卵子受精，幾個小時後，合併後的細胞（現在稱為受精卵）分裂成兩個，然後是四個看似相同的細胞。這些細胞中的每一個都會啟用其DNA中的相同基因組，從而導致產生各種蛋白質，這些蛋白質除其他外，會誘使細胞進一步分裂。
由於基因和蛋白質之間複雜的相互作用，這些曾經相同的細胞很快就開始移動，並在分裂時表現出不同的行為。幾天之內，數百個細胞形成了一種球中球，稱為胚泡。這是我們可以注射人類幹細胞的最晚時間點——在稍後會產生功能器官的專門組織（稱為原基）開始形成之前。如果我們等待更長時間，宿主胚胎中的其餘幹細胞將簡單地忽略外來幹細胞，然後外來幹細胞將萎縮並死亡。
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圖片來源：AMANDA MONTAÑEZ
隨著胚胎的生長，它形成外層、中層和內層，並且任何單個細胞在整個較大整體中的精確位置變得比以往任何時候都更加重要。例如，先前的研究表明，胚胎內層中的某些細胞透過開啟Pdx1基因來響應其微環境中的蛋白質訊號。這一步驟反過來又激活了許多其他基因，這些基因觸發胰腺的成熟。相比之下，位於中層的一些細胞透過開啟Six2基因來響應外部訊號，從而啟動腎臟的形成。因此，儘管體內所有細胞都包含相同的DNA序列，但細胞在特定發育階段所處的特定環境決定了哪些基因被開啟或關閉，從而決定了它將成為哪種組織。
事實證明，單個基因（如Pdx1或Six2）可以開啟通往胰腺或腎臟形成的整個途徑，這在我們的探索中非常重要。透過刪除生長胰腺所需的關鍵基因（我的同事和我稱之為“清空生態位”的過程），我們的實驗室創造了不會生長胰島素生成器官的豬胚胎，除非我們注射足夠多的含有缺失基因的人類幹細胞。如果新增的細胞發育得當，它們將產生一個完全由人類細胞組成的成熟器官。理想情況下，動物的其餘部分將由豬細胞組成。
與科學中的許多事情一樣，弄清楚如何準確地清空胚胎生態位，然後用來自不同物種的幹細胞填充它，首先需要對齧齒動物進行大量實驗。最終，在2010年，時任東京大學的仲內裕光和他的同事報告說，他們成功培育出了一隻帶有大鼠胰腺的小鼠。最近，我的實驗室已經能夠對小鼠胚胎進行基因重程式設計，使其能夠利用來自大鼠的幹細胞在其眼睛中生長細胞。在代孕小鼠母親體內妊娠三週後，這些胚胎變成了眼睛中有大鼠細胞的胎鼠。
挑戰
我們旅程中的每一步都需要仔細考慮不同的潛在問題。由於小鼠太小，無法產生對人類患者來說有用的尺寸的器官，因此我們現在已將工作重點放在創造豬胚胎上。豬及其器官可以生長到移植外科醫生可能需要的幾乎任何比例，以幫助不同體型的人。豬的妊娠期也比小鼠長（後者約為20天）。由於正常人類胚胎需要九個月才能完全發育成熟，研究人員正在發明某些生化技巧來幫助人類幹細胞加速其內部時鐘，以便它們在宿主胚胎的時間表上成熟或分化。使人類細胞適應稍微長一點的豬時間線應該比與短得多的老鼠時間線對齊需要更少的努力。
目前，我和我的同事專注於培育由人類細胞組成的胰腺或腎臟，因為我們知道單個基因會啟動其在胚胎中的發育——這是一個相當簡單的過程。然而，其他器官（如心臟）可能依賴於多個基因來啟動該過程，這意味著清空這些器官的生態位將需要刪除多個基因，這要困難得多。最近，由哈佛大學的喬治·丘奇領導的研究人員改進了CRISPR/Cas9基因編輯工具，以便他們可以從胚胎DNA的不同位置移除多個基因。因此，如果事實證明我們需要進行更復雜的基因操作來創造其他器官，研究人員已做好準備。
一個更大的問題是如何確保使用的人類幹細胞足夠原始，能夠產生任何型別的組織。生物學家將這種生理狀態稱為“發育幼稚”。人類胚胎幹細胞可以從體外受精診所產生的剩餘受精卵中獲取，但它們的使用將極具爭議性。
在過去的十年中，研究人員取得了一些技術進步，乍一看，這些進步似乎可以解決困境。他們弄清楚瞭如何誘導從成人皮膚或腸道中提取的成熟細胞變成一種稱為誘導多能幹細胞或iPSC的幹細胞。用人類iPSC代替人類胚胎幹細胞進行實驗肯定更符合倫理道德。使用iPSC將提供另一個額外優勢，即有一天允許科學家創造出與個體患者在基因和免疫學上匹配的器官。
然而，對迄今為止創造的人類iPSC的更深入研究表明，它們並不像它們需要在嵌合胚胎內部生存那樣幼稚。它們已經發展到成為幾種特定細胞型別之一的程度，以至於它們不再能夠對來自胚胎的任何生化訊號做出反應，這些訊號告訴它們長成其他東西。由於這些iPSC沒有正確反應，發育中的胚胎將它們排出為異物。
最近，我實驗室的吳軍開始用獨特的生長因子組合處理人類iPSC，這使得至少其中一些能夠對更廣泛的胚胎訊號做出適當的反應。迄今為止，我們小組已經獲得了初步結果，表明我們處理過的人類iPSC實際上可以整合到胚泡中。我和我的同事阻止實驗胚胎在受精後不同時間生長，並在顯微鏡下分析它們，以檢查宿主細胞和供體細胞混合的程度。接下來，我們計劃讓胚胎髮育更長時間——直到它們六週大，並且可以看到原基。到那時，胚胎將開始生成身體各種組織和器官的前體。
然而，即使我們能夠生產出可以完全整合到豬胚胎中的人類iPSC，我們也沒有完全成功。從進化角度來看，人類和豬的親緣關係不如已經用於創造嵌合動物的小鼠和大鼠那麼近。因此，人類iPSC可能只是失去了感知來自與豬等親緣關係較遠的物種的所有生化訊號的能力。如果我們無法找到解決這個問題的生化方法，我們可能需要開始在其他物種（如牛）中測試我們的想法。
後續步驟
2012年，我與我的合作者、巴塞羅那臨床醫院院長何塞普·瑪麗亞·坎皮斯特爾討論了這些和其他擔憂，該醫院是國際公認的器官移植服務機構。我清楚地記得他的建議：“確定人類iPSC是否可以跨越物種障礙並促進豬體內人體器官的形成的唯一方法是捲起袖子做實驗，”他說。
坎皮斯特爾的宣告促使我採取行動。我知道我們的實驗室無法獨自完成這樣的任務。我和我的同事與胚胎學家、獸醫、幹細胞生物學家和生物倫理學家一起建立了一個國際聯盟來測試我們的想法。我們於2015年開始將人類iPSC注射到豬胚胎中。我特別感謝西班牙穆爾西亞聖安東尼奧天主教大學和莫克西基金會在沒有人認為我們的方法可行時就支援這項早期工作。
迄今為止，我們的大部分實驗都是在加利福尼亞州和西班牙進行的——在當地和國家監管機構的監督下。到目前為止，我們已經允許嵌合豬-人胚胎在母豬體內妊娠約四周——此時我們會犧牲動物。（我們與監管機構協商制定的指南要求我們犧牲代孕母豬和胚胎。）
總的來說，從這些和其他實驗中獲得的結果幫助我們獲得了一些關於嵌合胚胎髮育的基本知識。我們開始瞭解胚胎成功發育需要植入的最佳人類iPSC數量以及我們需要植入它們的時間。我們也開始追蹤人類細胞開始遷移到胚胎不同部位的方式。
倫理平衡
即使我們科學家完善我們的程式，我們也必須與更廣泛的公眾合作，以應對這個新興領域產生的新倫理、社會和監管挑戰。我們的聯盟與加利福尼亞州和西班牙的倫理學家和監管機構密切合作了一年半，以制定管理我們研究的指南。
毋庸置疑，我們遵守關於動物福利的標準規則，這些規則應適用於所有對有知覺生物的研究——避免不必要的痛苦，並提供足夠的生存空間和鍛鍊，以及其他事項。然而，還有一些額外的擔憂是這項技術特有的。正如我已經說過的，真正幼稚的幹細胞可以產生任何型別的組織。但我們必須特別關注三種類型——神經、精子和卵子——因為在動物中使這些組織人源化可能會產生無人願意創造的生物。
例如，想象一下，如果足夠多的人類神經填充了豬的大腦，使其能夠進行更高層次的推理，那將會是多麼可怕的倫理噩夢。我們可以透過在注射人類iPSC之前從所有人源iPSC中刪除神經發育的遺傳程式來阻止這個問題。這樣，即使人類幹細胞設法遷移到負責大腦生長的胚胎生態位，它們也無法進一步發育。唯一可以生長的神經元將是100%的豬神經元。
研究人員想要避免的另一種情況（原因很快就會清楚）是嵌合動物彼此繁殖。雖然這只是一個小機率事件，但始終存在著我們植入的一些人類幹細胞可能會遷移到產生生殖系統的生態位，而不是停留在產生所需器官的生態位。結果將是產生精子或卵子與人體內的精子或卵子幾乎相同的動物。允許這些動物繁殖可能會導致在倫理上災難性的情況，即完全人類的胎兒（一隻豬的人源化精子給另一隻豬的人源化卵子受精的結果）開始在農場動物體內生長。防止這種令人不安的結果的最佳方法是確保用於移植的每隻嵌合動物都是從頭開始創造的，也就是說，透過用豬的精子給豬的卵子受精，然後新增人類幹細胞。
當然，如果技術挑戰被證明是無法克服的，那麼一切都將落空。然而，即使我們未能創造出用於移植的功能性器官，我相信我們在此過程中發現的知識和技術也將被證明是非常有價值的。最先受益的領域之一很可能是癌症研究。研究表明，許多腫瘤在兒童或成人體內不受控制地生長，這是透過重新啟用一些（但不是全部）曾經允許胚胎長成胎兒的基因來實現的。因此，研究人員越瞭解允許胚胎生長的正常細胞訊號——並告訴它們何時停止生長——他們就越有可能誘導癌細胞放棄其危險的道路。
當然，科學家也是人。我們對新想法和做事的新方法感到興奮。而且我們可能對我們的發現可能意味著什麼過於樂觀——不僅對我們自己的領域，也對人類而言。但我在本文中描述的初步結果使我謹慎樂觀地認為，我們可能會在未來幾十年內從嵌合動物胚胎中生成人體器官。