世界各地每年有成千上万的人接受器官移植。尽管器官移植的医学技术已经迅速发展，但捐献器官的数量却滞后不前。全球数据难以获得，但平均而言，在欧洲每天有16人，在美国每天有22人在等待心脏、肝脏或其他器官移植时去世。此外，需要新器官的人数与可用于捐献的器官数量之间的差距持续扩大。
缓解短缺的一种方法是在实验室中培育替换器官。几年前，科学家们认为他们可以通过使用干细胞（可以产生不同类型组织的祖细胞）和人工支架来制造新器官。然而，研究人员一直在努力协调干细胞的发育以产生功能齐全的人体器官。关于这种方法的研究仍在继续，但进展缓慢。
包括我在内的一小部分但数量不断增加的研究人员认为，可能还有另一种方法：让大自然来完成繁重的工作。进化已经创造了一个精妙的过程，将少数相同的细胞转化为构建整个复杂生物体（无论是小鼠还是人）所需的所有专门器官和组织。这种精湛的表现在受精卵产生胚胎后的几周和几个月内发生，胚胎生长并在没有依赖人工支架的情况下，发育成具有发育良好的心脏和肺、肾脏和其他组织的完全成熟的动物。我们相信我们可以找到一种方法，从猪等动物身上获取器官，供人类使用。
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当然，正常猪的心脏对于需要移植的人来说几乎没有用处。首先，我们的免疫系统会强烈排斥直接的跨物种移植。（猪心脏瓣膜只有在经过化学处理以防止这种免疫反应后，才能作为人体组织的合适替代品——这个过程会破坏复杂器官的功能能力。）我和我的同事认为，在猪或牛等动物体内培育完全或几乎完全由人类细胞构成的人体器官是可能的。由此产生的动物将是嵌合体——一种结合了两种不同物种部分的生物，很像神话中的格里芬，它具有鹰的头部和翅膀以及狮子的身体。我们的梦想是通过将人类干细胞注射到经过精心准备的动物胚胎中来创造嵌合体，这样当它们完全长大时，它们就包含一些由人类细胞组成的器官。在牺牲动物后，我们将收获由人类细胞组成的单个心脏、肝脏或肾脏，并将其给予需要移植的人。
这个想法听起来可能很牵强，但美国和日本的研究人员已经证明这在原则上是可行的。几个不同的团队将定制设计的小鼠胚胎注射了大鼠干细胞，然后让由此产生的嵌合体在代孕小鼠母亲体内发育。经过几周的妊娠，代孕母亲生下了看起来和行为都像小鼠的动物——只是它们有大鼠的胰腺。我的实验室和其他小组的研究人员已经迈出了下一步，将人类干细胞注射到猪胚胎中。其中一些注射“成功了”，我们证实人类组织已经开始正常成熟。然后，我们将嵌合胚胎转移到代孕母猪体内，在那里我们让它们发育了三到四周。在完成更多中间实验后，我们将允许胚胎生长几个月，届时我们将确定它们有多少细胞是人类来源的。如果这些实验成功——并且我们获得州和地方当局的许可继续进行——我们预计将使胚胎能够足月生长（对于猪来说大约是四个月）。
我们离实现生产嵌合小猪的最后一步还很远。关于如何最好地制备人类干细胞和动物胚胎，以便嵌合体在整个妊娠期间保持活力，我们还有很多东西要学习。可能会有很多问题出错。但即使我们无法创造完全形成的器官，我们发现的技术也应该帮助我们更好地了解包括癌症在内的许多复杂和毁灭性疾病的发生、发展和临床结果。如果成功，这种方法可能会对器官移植疗法产生巨大的影响。随着我们从农场动物身上为全球成千上万受苦受难的人们开发出充足的替换部件供应，等待名单可能会成为过去。
向大自然学习
近年来，生物学家们对胚胎如何生长了解了很多，我们已经初步开始根据我们的意愿调整这一过程。我们也认识到这种生长在多大程度上受到发育中的生物体内不同细胞在不同时间点的精确位置的引导。细胞制造并释放称为生长因子的专门蛋白质，这些蛋白质根据其在胚胎不同区域内的浓度，反过来激活和沉默大量内部遗传程序。依靠我们仍然不完整的理解和大量的反复试验，我们实验室和其他地方的研究人员正在操纵猪胚胎，使其产生最终会产生人类肾脏、胰腺或其他器官的组织。
我们使用的原材料包括猪卵子和精子（取自动物）以及人类干细胞（在细胞培养物中生长）。我们用猪精子给猪卵子受精，几个小时后，合并后的细胞（现在称为受精卵）分裂成两个，然后是四个看似相同的细胞。这些细胞中的每一个都会激活其DNA中的相同基因组，从而导致产生各种蛋白质，这些蛋白质除其他外，会诱使细胞进一步分裂。
由于基因和蛋白质之间复杂的相互作用，这些曾经相同的细胞很快就开始移动，并在分裂时表现出不同的行为。几天之内，数百个细胞形成了一种球中球，称为胚泡。这是我们可以注射人类干细胞的最晚时间点——在稍后会产生功能器官的专门组织（称为原基）开始形成之前。如果我们等待更长时间，宿主胚胎中的其余干细胞将简单地忽略外来干细胞，然后外来干细胞将萎缩并死亡。
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图片来源：AMANDA MONTAÑEZ
随着胚胎的生长，它形成外层、中层和内层，并且任何单个细胞在整个较大整体中的精确位置变得比以往任何时候都更加重要。例如，先前的研究表明，胚胎内层中的某些细胞通过开启Pdx1基因来响应其微环境中的蛋白质信号。这一步骤反过来又激活了许多其他基因，这些基因触发胰腺的成熟。相比之下，位于中层的一些细胞通过开启Six2基因来响应外部信号，从而启动肾脏的形成。因此，尽管体内所有细胞都包含相同的DNA序列，但细胞在特定发育阶段所处的特定环境决定了哪些基因被开启或关闭，从而决定了它将成为哪种组织。
事实证明，单个基因（如Pdx1或Six2）可以开启通往胰腺或肾脏形成的整个途径，这在我们的探索中非常重要。通过删除生长胰腺所需的关键基因（我的同事和我称之为“清空生态位”的过程），我们的实验室创造了不会生长胰岛素生成器官的猪胚胎，除非我们注射足够多的含有缺失基因的人类干细胞。如果添加的细胞发育得当，它们将产生一个完全由人类细胞组成的成熟器官。理想情况下，动物的其余部分将由猪细胞组成。
与科学中的许多事情一样，弄清楚如何准确地清空胚胎生态位，然后用来自不同物种的干细胞填充它，首先需要对啮齿动物进行大量实验。最终，在2010年，时任东京大学的仲内裕光和他的同事报告说，他们成功培育出了一只带有大鼠胰腺的小鼠。最近，我的实验室已经能够对小鼠胚胎进行基因重编程，使其能够利用来自大鼠的干细胞在其眼睛中生长细胞。在代孕小鼠母亲体内妊娠三周后，这些胚胎变成了眼睛中有大鼠细胞的胎鼠。
挑战
我们旅程中的每一步都需要仔细考虑不同的潜在问题。由于小鼠太小，无法产生对人类患者来说有用的尺寸的器官，因此我们现在已将工作重点放在创造猪胚胎上。猪及其器官可以生长到移植外科医生可能需要的几乎任何比例，以帮助不同体型的人。猪的妊娠期也比小鼠长（后者约为20天）。由于正常人类胚胎需要九个月才能完全发育成熟，研究人员正在发明某些生化技巧来帮助人类干细胞加速其内部时钟，以便它们在宿主胚胎的时间表上成熟或分化。使人类细胞适应稍微长一点的猪时间线应该比与短得多的老鼠时间线对齐需要更少的努力。
目前，我和我的同事专注于培育由人类细胞组成的胰腺或肾脏，因为我们知道单个基因会启动其在胚胎中的发育——这是一个相当简单的过程。然而，其他器官（如心脏）可能依赖于多个基因来启动该过程，这意味着清空这些器官的生态位将需要删除多个基因，这要困难得多。最近，由哈佛大学的乔治·丘奇领导的研究人员改进了CRISPR/Cas9基因编辑工具，以便他们可以从胚胎DNA的不同位置移除多个基因。因此，如果事实证明我们需要进行更复杂的基因操作来创造其他器官，研究人员已做好准备。
一个更大的问题是如何确保使用的人类干细胞足够原始，能够产生任何类型的组织。生物学家将这种生理状态称为“发育幼稚”。人类胚胎干细胞可以从体外受精诊所产生的剩余受精卵中获取，但它们的使用将极具争议性。
在过去的十年中，研究人员取得了一些技术进步，乍一看，这些进步似乎可以解决困境。他们弄清楚了如何诱导从成人皮肤或肠道中提取的成熟细胞变成一种称为诱导多能干细胞或iPSC的干细胞。用人类iPSC代替人类胚胎干细胞进行实验肯定更符合伦理道德。使用iPSC将提供另一个额外优势，即有一天允许科学家创造出与个体患者在基因和免疫学上匹配的器官。
然而，对迄今为止创造的人类iPSC的更深入研究表明，它们并不像它们需要在嵌合胚胎内部生存那样幼稚。它们已经发展到成为几种特定细胞类型之一的程度，以至于它们不再能够对来自胚胎的任何生化信号做出反应，这些信号告诉它们长成其他东西。由于这些iPSC没有正确反应，发育中的胚胎将它们排出为异物。
最近，我实验室的吴军开始用独特的生长因子组合处理人类iPSC，这使得至少其中一些能够对更广泛的胚胎信号做出适当的反应。迄今为止，我们小组已经获得了初步结果，表明我们处理过的人类iPSC实际上可以整合到胚泡中。我和我的同事阻止实验胚胎在受精后不同时间生长，并在显微镜下分析它们，以检查宿主细胞和供体细胞混合的程度。接下来，我们计划让胚胎发育更长时间——直到它们六周大，并且可以看到原基。到那时，胚胎将开始生成身体各种组织和器官的前体。
然而，即使我们能够生产出可以完全整合到猪胚胎中的人类iPSC，我们也没有完全成功。从进化角度来看，人类和猪的亲缘关系不如已经用于创造嵌合动物的小鼠和大鼠那么近。因此，人类iPSC可能只是失去了感知来自与猪等亲缘关系较远的物种的所有生化信号的能力。如果我们无法找到解决这个问题的生化方法，我们可能需要开始在其他物种（如牛）中测试我们的想法。
后续步骤
2012年，我与我的合作者、巴塞罗那临床医院院长何塞普·玛丽亚·坎皮斯特尔讨论了这些和其他担忧，该医院是国际公认的器官移植服务机构。我清楚地记得他的建议：“确定人类iPSC是否可以跨越物种障碍并促进猪体内人体器官的形成的唯一方法是卷起袖子做实验，”他说。
坎皮斯特尔的宣告促使我采取行动。我知道我们的实验室无法独自完成这样的任务。我和我的同事与胚胎学家、兽医、干细胞生物学家和生物伦理学家一起创建了一个国际联盟来测试我们的想法。我们于2015年开始将人类iPSC注射到猪胚胎中。我特别感谢西班牙穆尔西亚圣安东尼奥天主教大学和莫克西基金会在没有人认为我们的方法可行时就支持这项早期工作。
迄今为止，我们的大部分实验都是在加利福尼亚州和西班牙进行的——在当地和国家监管机构的监督下。到目前为止，我们已经允许嵌合猪-人胚胎在母猪体内妊娠约四周——此时我们会牺牲动物。（我们与监管机构协商制定的指南要求我们牺牲代孕母猪和胚胎。）
总的来说，从这些和其他实验中获得的结果帮助我们获得了一些关于嵌合胚胎发育的基本知识。我们开始了解胚胎成功发育需要植入的最佳人类iPSC数量以及我们需要植入它们的时间。我们也开始追踪人类细胞开始迁移到胚胎不同部位的方式。
伦理平衡
即使我们科学家完善我们的程序，我们也必须与更广泛的公众合作，以应对这个新兴领域产生的新伦理、社会和监管挑战。我们的联盟与加利福尼亚州和西班牙的伦理学家和监管机构密切合作了一年半，以制定管理我们研究的指南。
毋庸置疑，我们遵守关于动物福利的标准规则，这些规则应适用于所有对有知觉生物的研究——避免不必要的痛苦，并提供足够的生存空间和锻炼，以及其他事项。然而，还有一些额外的担忧是这项技术特有的。正如我已经说过的，真正幼稚的干细胞可以产生任何类型的组织。但我们必须特别关注三种类型——神经、精子和卵子——因为在动物中使这些组织人源化可能会产生无人愿意创造的生物。
例如，想象一下，如果足够多的人类神经填充了猪的大脑，使其能够进行更高层次的推理，那将会是多么可怕的伦理噩梦。我们可以通过在注射人类iPSC之前从所有人源iPSC中删除神经发育的遗传程序来阻止这个问题。这样，即使人类干细胞设法迁移到负责大脑生长的胚胎生态位，它们也无法进一步发育。唯一可以生长的神经元将是100%的猪神经元。
研究人员想要避免的另一种情况（原因很快就会清楚）是嵌合动物彼此繁殖。虽然这只是一个小概率事件，但始终存在着我们植入的一些人类干细胞可能会迁移到产生生殖系统的生态位，而不是停留在产生所需器官的生态位。结果将是产生精子或卵子与人体内的精子或卵子几乎相同的动物。允许这些动物繁殖可能会导致在伦理上灾难性的情况，即完全人类的胎儿（一只猪的人源化精子给另一只猪的人源化卵子受精的结果）开始在农场动物体内生长。防止这种令人不安的结果的最佳方法是确保用于移植的每只嵌合动物都是从头开始创造的，也就是说，通过用猪的精子给猪的卵子受精，然后添加人类干细胞。
当然，如果技术挑战被证明是无法克服的，那么一切都将落空。然而，即使我们未能创造出用于移植的功能性器官，我相信我们在此过程中发现的知识和技术也将被证明是非常有价值的。最先受益的领域之一很可能是癌症研究。研究表明，许多肿瘤在儿童或成人体内不受控制地生长，这是通过重新激活一些（但不是全部）曾经允许胚胎长成胎儿的基因来实现的。因此，研究人员越了解允许胚胎生长的正常细胞信号——并告诉它们何时停止生长——他们就越有可能诱导癌细胞放弃其危险的道路。
当然，科学家也是人。我们对新想法和做事的新方法感到兴奋。而且我们可能对我们的发现可能意味着什么过于乐观——不仅对我们自己的领域，也对人类而言。但我在本文中描述的初步结果使我谨慎乐观地认为，我们可能会在未来几十年内从嵌合动物胚胎中生成人体器官。