青科沙龙第155期 | Nat Biomed Eng-人源化猪模型与人源细胞/器官再造

近年来，干细胞再生医学与异种器官移植领域取得了突破性进展，为解决临床移植供体严重短缺这一全球性难题带来了新的希望。然而，该领域仍面临诸多关键性挑战：在干细胞治疗方面，由于细胞命运决定与微环境调控网络的极端复杂性，现有基于体外定向分化的大规模细胞制备技术仍存在分化效率低、功能成熟度不足等瓶颈问题，导致治疗成本居高不下，严重制约了其临床转化应用。而在异种移植领域，虽然基于CRISPR-Cas9等基因编辑技术制备的基因修饰猪已在肾脏、心脏等实体器官移植中展现出良好的临床前效果（存活时间可达数月），但对于肝脏这类具有复杂代谢与合成功能的重要器官，由于种间生理屏障（如凝血系统失调、代谢谱差异等）的存在，其临床应用仍面临巨大挑战。

利用动物模型作为生物反应器，结合干细胞与再生技术实现人类细胞/器官的体内再生，被认为是突破当前技术瓶颈的重要策略之一。目前，异种组织器官的功能性重建主要局限于大鼠-小鼠或人-小鼠等小动物模型。例如，科学家已通过向免疫缺陷小鼠体内植入人源干细胞，成功诱导其分化为多系人类细胞，包括免疫细胞、红细胞、血小板、肝细胞及肺实质细胞等，初步验证了“异种体内重建人类细胞/器官”的可行性。然而，免疫缺陷小鼠因体型小、寿命短、生理系统与人类兼容性低，难以满足临床级供体细胞/器官的规模化制备需求。因此，如何构建一种对人类细胞高度免疫兼容、支持人源干细胞高效植入与分化的大型动物模型，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

猪因其器官解剖结构、生理功能与人类高度相似，且繁殖效率高、基因编辑技术成熟，被视为最具临床转化潜力的异种移植供体及前临床大动物模型。过去二十年间，研究人员通过天然突变品系选育及关键免疫基因（如Rag1/Rag2和Il2rg）的敲除，成功构建了多种免疫缺陷猪品系。然而，重度免疫缺陷猪易受感染，存活率极低（此前最长存活记录仅34天），其长期饲养与维持仍是国际性难题。在此背景下，如何优化免疫缺陷猪的制备与存活条件，并进一步实现人源细胞在猪体内的高效嵌合与器官再生，已成为构建人源化器官最核心的研究方向之一。

2025年5月20日，国际顶级期刊《Nature Biomedical Engineering》在线发表了由吉林大学第一医院杨永广教授、胡正教授、李子义教授团队与中国科学院动物研究所周琪院士、李伟研究员团队合作完成的突破性研究成果"Long-term engraftment of human stem and progenitor cells for large-scale production of functional immune cells in engineered pigs"。该研究在异种嵌合体研究领域取得重大进展，创新性地建立了系统的免疫缺陷猪构建与无菌饲养平台，首次实现了重度免疫缺陷猪的长期存活（存活时间突破500天）；通过多基因编辑技术成功构建出同时缺乏T细胞、B细胞和NK细胞且巨噬细胞对人类细胞具有免疫耐受性的新型猪模型；在此基础上开发了优化的清髓预处理方案和人造血干/祖细胞移植策略，实现了人造血干/祖细胞在猪体内的长期稳定嵌合（>200天）、高比例重建（嵌合率>90%）以及多谱系分化（包括T细胞、B细胞、NK细胞、髓系细胞、巨核细胞和红系细胞等）；功能验证实验证实在猪体内发育的人类免疫细胞具备完整的免疫功能。该研究为规模化生产功能性人类免疫细胞提供了创新性解决方案，在异种器官再生、疾病模型构建及细胞治疗等领域具有重要的转化价值。

研究过程

本研究依托吉林大学人类疾病动物模型国家地方联合工程实验室平台，建立了包含剖宫产净化、人工哺育和屏障环境手术操作的免疫缺陷猪完整培育技术体系，成功攻克了重度免疫缺陷猪难以长期存活的技术难题。研究团队采用CRISPR-Cas9基因编辑结合体细胞核移植技术，成功构建了T、B、NK细胞三重缺失的Rag1-/-Il2rg-/-（RG）巴马猪模型。
实验数据显示，移植人造血干/祖细胞（HSPC）后，RG猪骨髓中可检测到高比例、多谱系的人源造血免疫细胞，且这些HSPC在免疫缺陷小鼠中展现出二次移植能力。值得注意的是，在RG猪外周血和脾脏中几乎观察不到人类细胞存在。深入机制研究发现，巴马猪巨噬细胞会快速清除输入的人类细胞，其核心机制在于人类CD47分子无法有效结合猪源SIRPα（巨噬细胞表面的免疫抑制受体）。

为突破这一跨物种免疫排斥障碍，研究团队进一步构建了CD47基因敲除的Rag1-/-Il2rg-/-（RGD）免疫缺陷猪模型。实验证实，CD47的缺失显著增强了RGD猪源巨噬细胞对人类细胞的耐受性。

基于RGD猪模型并采用优化的人HSPC移植方案，研究团队成功实现了人源T、B、NK细胞，常规树突状细胞（mDC）、浆细胞样树突状细胞（pDC）以及单核细胞等多谱系人源免疫细胞在猪的骨髓、外周血和脾脏等组织中的长时程（>200天）、高水平（最高>90%）重建。特别值得注意的是，人源化RGD猪胸腺展现出强大的人T细胞发育能力，嵌合度超过90%。发育中的人源胸腺细胞呈现出典型的CD4/CD8双阳性、单阳性及双阴性等多阶段分化特征，同时胸腺体积和细胞数量也从移植前的显著萎缩状态恢复至接近免疫健全猪的正常水平。

通过单细胞RNA测序分析，研究人员证实人源化RGD猪骨髓、脾脏和胸腺中重建的人源造血免疫细胞在表型及组成上与人类天然细胞谱系高度相似，且其TCR与BCR呈现出丰富的多样性。功能实验显示，人源化猪体内发育的CD4⁺ T细胞在TCR信号刺激下能够有效活化并显著增殖，分泌多种细胞因子，并可分化为Th1、Th2、Th17及Treg等功能亚群；更值得注意的是，经抗CD19 CAR结构域改造的人CD8⁺ T细胞对人B细胞源性肿瘤表现出强大的特异性杀伤能力。

综上，研究团队成功构建了对人类细胞具有高度免疫兼容性的免疫缺陷猪模型，建立了包括净化、饲养和实验操作在内的完整技术体系，并首次实现了人造血干/祖细胞在猪体内的高比例、长期植入和多谱系重建。这一突破性研究开创了以免疫缺陷猪为生物载体开展再生医学研究的新范式，为将人源化猪发展为生物反应器，实现人类造血免疫细胞（包括造血干细胞、CAR-T、TCR-T、CAR-NK等）和血液细胞（如红细胞、血小板）的规模化生产，以及构建功能性"人源化器官"提供了重要的技术支撑。