专访山东大学生殖医学团队:人卵线粒体移植,攻克“三亲试管婴儿”技术难关

本文转载自《生物探索》

编者按

“三亲试管婴儿”被称为第四代试管婴儿,是阻断线粒体疾病遗传的创新疗法。线粒体移植技术是实现这一治疗手段的关键过程,却面临很多挑战。5月12日,山东大学附属生殖医院陈子江教授团队在《Cell Research》期刊发表文章,揭示了“线粒体移植技术”的最新学术成果,率先攻克难关。

赵涵教授(左)和吴克良主任(右)

线粒体疾病是一种母系遗传病,目前尚没有有效的医疗手段。科学家们希望从“源头”上解决问题,通过阻断母亲的缺陷线粒体向子女的遗传,从根本上避免生病。这一梦想的实现需依赖于“线粒体移植技术”。然而,这一开创性技术却面临很多挑战和未知。

5月12日,山东大学附属生殖医院陈子江教授团队在《Cell Research》期刊(IF=14.812)发表文章,揭示了“线粒体移植技术”的最新学术成果。他们首次在人类受精卵中实施第二极体移植,可有效阻断线粒体疾病的遗传,为“三亲试管婴儿”的临床实施奠定了技术基础。

这一研究成果背后有怎样的故事?它对于线粒体移植技术进展有怎样的意义?攻克了哪些难关?带着这些疑问,生物探索采访了文章共同通讯作者、山东大学附属生殖医院赵涵教授和文章一作、山东大学附属生殖医院IVF实验室主任吴克良副研究员,请他们为我们分享了这一最新进展。

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线粒体疾病,万分之一的病痛

何为线粒体疾病?

线粒体疾病是一类因线粒体功能异常而导致大脑、肌肉等器官严重受损的遗传性疾病,平均每5000-10000个新生儿中就至少有一个患有线粒体疾病。它属于母性遗传疾病,通俗点讲就是“携带致病线粒体的母亲会将线粒体病遗传给她所有的孩子”。

为什么难以避免?

线粒体的遗传物质存在于胞质中。受精卵形成过程,子代的线粒体几乎完全来源于卵子,因此如果卵子存在线粒体缺陷,那么子代无法有效避免缺陷的传递。

保守预估,我国线粒体疾病患者数量达到数十万人。目前,医学上尚没有有效的治疗手段。

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线粒体移植,健康宝宝的新希望

采访中,赵涵跟编辑分享了一个让她印象深刻的患者故事:

一对山东烟台的夫妇来到山东大学附属生殖医院,希望通过第三代试管婴儿技术(PGD)生育一个健康的宝宝。他们已经育有一个儿子,但是孩子很不幸地患有线粒体脑肌病,一种典型的线粒体疾病。经分子遗传学诊断,孩子携带的突变线粒体负荷率超过80%。

让夫妻俩无奈的是,考虑到儿子的基因突变位于线粒体DNA,所以仅仅依赖PGD(可阻断核基因突变所致的遗传病)无法实现他们的梦想。

早在2009年,美国Shoukhrat Mitalipov教授实验室对猴子实施线粒体移植技术,成功获得健康子代,猴子在出生后多年未见异常。这一成果给赵涵等研究人员带来很大的触动和启发。他们开始思考:是否可以通过线粒体移植帮助特殊家庭重获健康宝宝?

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阻断母系遗传,实现技术攻关

带着这样的设想,陈子江教授课题组经过不断摸索,在今年4月首次报道了前原核移植技术,5月他们又接连报道了第一极体移植和第二极体移植的创新技术研究成果,这也是首次将人受精卵第二极体作为母源核供体进行线粒体移植。

第二极体是卵子第二次减数分裂后形成的含有单倍母源遗传物质的产物,其整体特性与其对应的母源单倍体遗传物质没有任何差异,只是在常规受精和胚胎发育过程中被遗弃了而已。

为什么选择第二极体作为母源核供体?

吴克良解释说:“第二极体中只携带极少量的卵子胞浆成分,因此所携带的母源线粒体遗传物质非常少。在这样的背景下,采用第二极体作为母源核供体形成的重构受精卵,其含有的母源线粒体遗传物质极少,从而达到阻止线粒体疾病向子代遗传的目标。”

在人的线粒体替代疗法研究中,目前已报道的技术主要有纺锤体移植、原核移植。2016年11月,在他们文章正准备投稿的时候,Shoukhrat Mitalipov教授团队早一步报道了以人卵子第一极体重构胚胎的研究成果。但是,对于第二级体却迟迟未有突破。这是因为,该技术面临两个主要障碍:1)如何精准、完整的分离母源核物质?2)如何确保核供体和核受体的发育同步?

“过去,分离母源核物质常需要细胞骨架抑制剂人为控制细胞周期,但是它对胚胎的长久影响并不明确,存在很大的隐患。而且,应用第二极体很难实现核供体与核受体的发育同步。”吴克良进一步说明。

为了攻克难关,陈子江教授带领团队在详细研究人类卵子受精后的动态规律后,找到在不使用细胞骨架抑制剂的前提下精准去除、分离母源遗传物质的操作窗口期。同时,他们证实,通过供、受两方卵子同步受精并同步操作可以实现第二极体与核受体的完全同步,进一步确保了重构受精卵的发育潜能。

结果显示,最终构建的胚胎突变线粒体清除率可达到99%以上。而且,重构胚胎具有良好的发育潜能。陈子江教授团队与中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所李劲松教授课题组合作,将重构的胚胎诱导形成的胚胎干细胞,干细胞经传代、分化等实验检测,均未发现致病线粒体扩增。赵涵表示,“这意味着,我们的技术具有良好的安全性,可以有效推进三亲试管婴儿的临床进展。”

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“三亲试管婴儿”:安全、伦理顾虑

2015年2月,英国国会通过将“三亲试管婴儿”技术应用于线粒体疾病患者的法案,成为世界上首个允许该技术临床应用的国家。2016年4月,全球首例“三亲试管婴儿”在墨西哥诞生;2017年1月,第二例“三亲试管婴儿”在乌克兰诞生。2017年3月16日,英国人类受精与胚胎学管理局(HFEA)宣布批准英国首例实施 “三亲试管婴儿”技术的申请,让这项争议性技术的临床应用迈出了实质性的一步。

然而,在包括中国、美国在内的其他国家,“三亲试管婴儿”技术并未获准临床实施或暂无明确规定。虽然对患者卵母细胞或受精卵实施健康供体线粒体移植,即“三亲试管婴儿”技术为线粒体疾病患者带来新的希望,但是仍然面临很多未知:

首先,安全问题

目前针对“三亲试管婴儿”的研究主要基于动物实验和干细胞,缺乏临床试验结果。置换后的线粒体与细胞核的相容性仍需要进一步实验。此外,供体卵母细胞质成分是否改变受体细胞核DNA表观遗传修饰,进而影响和基因表达也需要进一步的探讨。细胞核与线粒体的不匹配是否会对后代的生育、行为等产生影响还需要长期的追踪及安全性评估。

“该技术和‘克隆’有一定的相似之处,一旦被别有用心之人滥用以求个人利益,甚至于‘设计婴儿’,将会导致不可预计的后果,且会彻底背离该技术的研发初衷。”赵涵表示。

其次,伦理顾虑

“三亲试管婴儿”遗传了“三亲”的DNA,即拥有两个妈妈,一个爸爸。虽然第二个妈妈(提供健康线粒体)的DNA比例仅占0.2%,但是这对于传统的血缘关系依然会产生冲击,从而带来一系列伦理及法律问题。

“中国目前并没有针对‘三亲试管婴儿’临床应用的明确法规出台。我们希望通过这些研究突破,增加线粒体移植技术的安全性,从而尽快推动国家卫计委批准开展线粒体移植临床试验,及早为广大线粒体患病家庭解决困难。”吴克良强调道。

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“三亲试管婴儿”≠ “转基因婴儿”

“线粒体替换”疗法能够借助健康供者的线粒体来修补母方线粒体的缺陷,从而帮助下一代避免遗传线粒体疾病。额外的线粒体DNA片断并不参与婴儿的基因重组与改造,不能称其为“转基因婴儿”。

“三亲试管婴儿”培育技术能在不改变孩子父母核遗传物质的情况下让其获得更加健康的身体,是线粒体遗传病患者夫妇的福音,身患线粒体遗传疾病的女性将因此获得更多生育选择和机会。

采访最后,赵涵强调:“‘三亲试管婴儿’技术能否造福人类,这不是技术本身所能决定的,必须借助伦理道德和法律法规的力量。”她认为,只有在道德评价、价值判断以及规章制度的约束下,科研人员、受试者对其合理应用,“三亲试管婴儿”技术才能够延续辅助生殖技术的脚步,成为革命性的新疗法。

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