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文档简介
19/24生物复制技术的未来第一部分细胞重编程和诱导多能干细胞的发展 2第二部分干细胞分化和功能调控的突破 4第三部分基因编辑技术的应用和伦理挑战 6第四部分生物墨水和组织工程技术的发展 9第五部分器官培育和器官移植的进展 12第六部分生物复制技术在再生医学中的应用 15第七部分合成生物学在生物复制中的潜力 17第八部分生物复制技术对伦理、社会和经济的影响 19
第一部分细胞重编程和诱导多能干细胞的发展细胞重编程和诱导多能干细胞的发展
简介
细胞重编程是指通过特定的技术将体细胞(例如皮肤细胞)重新编程回多能干细胞状态的过程。诱导多能干细胞(iPSC)是通过重编程技术得到的,具有与胚胎干细胞相似的多能性,能够分化为各种细胞类型。
技术原理
细胞重编程的原理是利用转录因子和其他因子重现胚胎发育早期的基因表达谱。通常,通过转导Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc等转录因子,可以诱导体细胞重新获得多能性。
发展历史
2006年,山中伸弥和他的团队首次成功地将小鼠成纤维细胞重编程为iPSC,标志着细胞重编程领域的突破。2007年,他们成功地将人成纤维细胞重编程为iPSC。此后,细胞重编程技术不断发展,新的方法和改良的技术不断涌现。
技术改进
为了提高重编程效率和减少基因组整合的风险,研究人员开发了各种技术改进,包括无整合重编程、化学重编程和表观遗传重编程。这些技术降低了插入突变和肿瘤形成的可能性。
应用潜力
iPSC技术在基础研究和临床应用中具有广泛的潜力。
*疾病建模和药物筛选:iPSC可以从患者特异性细胞中生成,用于模拟各种疾病,包括神经退行性疾病、心脏病和癌症。这为研究疾病机制和筛选治疗药物提供了宝贵的工具。
*再生医学:iPSC可以分化为特定患者的细胞类型,用于移植治疗。这避免了免疫排斥,为多种疾病和组织损伤提供了治疗选择。
*个性化医疗:iPSC可以用来生成患者特异性的细胞库,用于个性化医疗。这使医生能够根据患者的遗传背景和疾病特征定制治疗方案。
*毒性检测:iPSC可以用来筛查化学物质和药物的毒性,特别是在早期发育阶段。这有助于识别安全和有效的药物。
数据统计
*根据StemCellReports杂志,截至2022年,全球已有超过100万条iPSC系建立。
*在临床试验中,iPSC已用于治疗多种疾病,包括年龄相关性黄斑变性、帕金森病和脊髓损伤。
*在再生医学方面,iPSC已成功用于生成心脏细胞、神经元和胰腺β细胞用于移植治疗。
挑战和展望
尽管细胞重编程技术取得了巨大进展,但仍面临一些挑战:
*重编程效率低:细胞重编程是一个低效的过程,只有少数体细胞能够成功地转化为iPSC。
*基因组整合:早期重编程方法涉及转录因子的基因整合,增加了插入突变和肿瘤形成的风险。
*表观遗传异常:重编程过程中可能出现表观遗传异常,影响iPSC的稳定性和功能。
未来的研究方向将集中于提高重编程效率、减少基因组整合、纠正表观遗传异常以及开发新的iPSC应用。随着技术的不断完善,细胞重编程和iPSC有望在基础研究和临床应用中发挥越来越重要的作用。第二部分干细胞分化和功能调控的突破关键词关键要点主题名称:干细胞分化和功能调控机制的阐明
1.分子信号通路:揭示控制干细胞分化过程的分子信号通路,包括胞内信号转导、表观遗传修饰和基因表达调控。
2.细胞间相互作用:阐明干细胞与微环境之间的细胞间相互作用,包括细胞外基质、邻近细胞和生长因子,以及它们对干细胞分化的影响。
3.表观遗传调控:深入研究表观遗传调控在干细胞分化中的作用,包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA,以及利用表观遗传修饰技术操纵干细胞分化。
主题名称:干细胞分化诱导技术的优化
干细胞分化和功能调控的突破
干细胞分化和功能调控是生物复制技术最关键的领域之一。近年来,该领域取得了重大突破,为临床应用和基础研究开辟了新的可能性。
体内分化机制的深入理解
研究人员深入探索了干细胞在体内分化的复杂机制。通过单细胞测序、谱系追踪和空间转录组学等技术,科学家们揭示了干细胞命运决定和分化轨迹中的主要调节因子和信号通路。这一见解为体外分化诱导的优化提供了基础。
体外分化技术的优化
体外分化技术已取得显著进展。通过微环境工程、生长因子优化和表观遗传学调控,研究人员实现了对各种细胞类型的定向分化。例如,iPSC已被成功分化为心肌细胞、神经元和肝细胞。这些技术使基于干细胞的再生医学成为可能。
功能调控的新策略
干细胞功能的精确调控至关重要,以确保在临床应用中具有适当的细胞行为。基因编辑技术,如CRISPR-Cas9,已用于调控干细胞中的特定基因,从而改善其分化能力和组织整合。此外,三维培养系统和生物材料支架正在探索,以提供更生理相关的微环境,促进干细胞功能。
表观遗传学机制的表征
表观遗传学修饰在干细胞分化和功能中起着关键作用。研究人员正在表征这些修饰如何影响基因表达并调节细胞命运决定。这一理解将有助于开发新的方法来操纵干细胞表观遗传学,并改善体外分化和功能调控。
其他突破
此外,在干细胞分化和功能调控领域还出现了其他突破:
*干细胞自组装模型:研究人员使用干细胞创建了三维器官模型,以模拟人体的复杂组织。
*可扩展的分化平台:新的培养和生物反应器系统正在开发,以促进大规模干细胞分化。
*安全性研究:干细胞分化和功能调控的安全性是一个关键考虑因素。研究人员正在进行全面研究以评估分化细胞的潜在风险和益处。
结论
干细胞分化和功能调控领域的突破为生物复制技术带来了变革性的可能性。这些进展使研究人员能够更精确地控制干细胞的分化,并改善其在临床应用中的功能。随着持续的研究和创新,该领域的进一步突破有望推进再生医学和基础生物学研究的前沿。第三部分基因编辑技术的应用和伦理挑战关键词关键要点主题名称:基因编辑与疾病治疗
1.基因编辑技术的突破,如CRISPR-Cas9,使得对遗传疾病的精准治疗成为可能。
2.靶向特定基因突变,能够有效纠正遗传缺陷,为罕见病和遗传性疾病提供新的治疗选择。
3.基因编辑疗法具有高度可定制性,可针对个体患者的特定基因变异进行设计。
主题名称:基因编辑与农业产业
基因编辑技术的应用和伦理挑战
引言
基因编辑技术,尤其以CRISPR-Cas9为代表,为生物复制带来了革命性的变革。尽管该技术潜力巨大,但其应用也引发了重要的伦理问题。
基因编辑技术的应用
生物医学研究和治疗:
基因编辑技术可用于研究疾病的遗传基础并开发治疗方法。例如,CRISPR-Cas9已用于治疗镰状细胞病和β-地中海贫血等遗传疾病。
农业和食品生产:
基因编辑可用于开发抗病害、抗除草剂和营养丰富的农作物。此外,它还可用于创造新的食品产品,例如无麸质小麦和不含过敏原的牛奶。
环境生物修复:
基因编辑可用于解决环境问题,例如污染物降解和入侵物种控制。
伦理挑战
安全性:
基因编辑技术存在脱靶效应的风险,可能导致意外的遗传改变。此外,基因编辑后的生物体释放到环境中可能引发生态系统影响。
人类生殖细胞编辑:
人类生殖细胞编辑引发了特别的伦理担忧,因为它会对未来世代产生影响。这种编辑可用于选择性生育和消除遗传疾病,但它也引发了对创造“设计婴儿”和社会不平等的担忧。
基因增强:
基因编辑技术可用于增强人类的特征,例如智力或身体能力。然而,这种做法引发了关于“理想”人类和公平竞争的伦理问题。
知识产权:
对基因编辑技术的专利保护引发了可及性方面的担忧,尤其是在发展中国家。
监管:
基因编辑技术快速发展带来了对适当监管的迫切需求。监管机构需要平衡创新和风险管理之间的关系。
国际合作:
基因编辑技术的跨境影响需要国际合作和信息共享。
社会舆论:
公众对于基因编辑技术的伦理影响存在分歧。了解和解决公众的担忧对于其负责发展和部署至关重要。
应对伦理挑战
为了应对基因编辑技术的伦理挑战,必须采取多管齐下的策略,包括:
透明度和公开讨论:
公开讨论基因编辑技术的伦理影响对于建立社会共识至关重要。
建立伦理准则:
开发透明和基于证据的伦理准则对于指导基因编辑技术的负责任使用至关重要。
公众参与:
公众参与基因编辑技术决策过程对于确保他们的声音得到尊重和考虑至关重要。
监管:
监管机构必须建立健全的监管框架,平衡创新和风险管理。
国际合作:
国家应合作建立全球性监管框架,确保协调和信息共享。
教育和培训:
教育和培训在培养知情的劳动力和公众方面至关重要,他们了解基因编辑技术的伦理影响。
结论
基因编辑技术具有改变科学、医学和社会的巨大潜力。然而,其应用也引发了重要的伦理挑战。通过采取负责任和透明的方式应对这些挑战,我们可以驾驭基因编辑技术的益处,同时最大程度地减少其风险。第四部分生物墨水和组织工程技术的发展关键词关键要点生物墨水的发展
1.多功能生物墨水:研究人员正在开发多功能生物墨水,包含细胞、生长因子和生物活性剂。这些墨水可以构建复杂的三维组织结构,具有精确的细胞排列和功能性。
2.可注射生物墨水:可注射生物墨水允许将细胞直接注入组织中,修复受损或缺失的组织。这种技术具有微创性,减少了恢复时间和疤痕形成。
3.生物力学性能:生物墨水正在被优化,以实现与天然组织相似的生物力学性能。这对于创建具有强度、弹性和韧性的组织修复体至关重要。
组织工程技术
1.生物打印:生物打印是一种增材制造技术,使用生物墨水分层构建三维组织结构。这种技术能够创造具有定制几何形状和细胞组成的复杂组织。
2.支架材料:支架材料为细胞提供生长和分化的骨架。先进的支架材料具有生物相容性、可降解性和具有可调节的孔隙率,以促进细胞迁移和组织再生。
3.血管生成:组织工程的一个关键挑战是创建具有血管网络的组织。研究人员正在探索纳米纤维和生物反应器等策略,以促进血管形成,确保氧气和营养物质向组织的输送。生物墨水和组织工程技术的发展
生物墨水和组织工程技术是生物复制技术中至关重要的组成部分,为创建功能性组织和器官提供了一种有前途的方法。
生物墨水
生物墨水是一种生物材料,用于创建三维组织结构。它由活细胞、生长因子和营养物质组成,这些成分被包裹在一种生物相容性水凝胶中。生物墨水可以通过各种方法制备,包括微流控、喷墨打印和挤压。
生物墨水的理想特性包括:
*高细胞活力和增殖能力
*与目标组织相匹配的生物力学性能
*组织成熟和血管化的能力
*与生物打印技术兼容
组织工程
组织工程是一种利用生物墨水和细胞支架创建三维组织的方法。它包括以下步骤:
1.细胞培养:从患者或供体来源提取细胞,并在体外培养。
2.生物墨水制备:将细胞与生长因子、营养物质和水凝胶混合,形成生物墨水。
3.生物打印:使用生物打印机将生物墨水分层沉积到细胞支架上,形成三维结构。
4.成熟和血管化:打印后的组织需要接受培养,使细胞成熟和形成血管网络。
组织工程技术可用于创建各种组织,包括:
*皮肤
*骨骼
*软骨
*肌肉
*神经组织
生物墨水和组织工程的进展
生物墨水和组织工程技术近年来取得了重大进展:
*个性化生物墨水:从患者自身细胞创建生物墨水,可用于创建具有患者特异性组织。
*多功能生物墨水:开发了包含多种细胞类型和生长因子的生物墨水,以创建复杂组织结构。
*生物打印分辨率:生物打印技术的发展提高了组织构建的分辨率,使创建更精细结构成为可能。
*血管化技术:研究人员正在探索通过整合血管生成因子和纳米颗粒来改善打印组织的血管化。
*组织成熟策略:体外培养条件的优化和生物反应器系统的开发促进了组织的成熟和功能整合。
临床应用
生物墨水和组织工程技术在临床应用中显示出巨大潜力,包括:
*组织移植:创建用于器官移植的定制组织,减少排斥反应和供体短缺。
*药物测试:建立患者特异性组织模型,用于药物筛选和毒性测试。
*再生医学:修复受损组织和器官,改善患者预后。
挑战和未来展望
生物墨水和组织工程技术仍面临一些挑战,包括:
*生物相容性:确保生物墨水和打印组织与人体组织兼容至关重要。
*长期的稳定性和功能:打印组织的长期稳定性和功能整合需要解决。
*规模化生产:开发用于大规模生产组织的经济高效的方法。
尽管存在这些挑战,生物墨水和组织工程技术仍被视为生物复制技术未来的关键组成部分。持续的创新和研究将克服这些障碍,并推动这一领域向前发展。未来,生物墨水和组织工程有望彻底改变医疗保健,为再生医学、个性化治疗和器官移植提供突破性的解决方案。第五部分器官培育和器官移植的进展关键词关键要点【器官培育和器官移植的进展】:
1.人工器官培育技术
1.利用干细胞、生物材料和生物工程技术培育具有功能的器官,解决器官短缺问题。
2.使用3D生物打印和组织工程方法创造结构和血管化复杂的组织和器官。
3.通过基因编辑和免疫调控策略克服免疫排斥和器官衰竭。
2.再生医学
器官培育和器官移植的进展
器官培育和移植已成为生物复制领域中最有前途的发展之一,它提供了解决器官短缺和提高患者治疗效果的巨大潜力。
器官培育技术
器官培育是指通过体外培养干细胞或其他细胞来生成功能性器官的过程。主要技术包括:
*支架引导组织工程(SGE):使用生物可降解支架作为细胞生长和分化的模板。
*细胞自组装:利用细胞之间的自然相互作用来形成组织和器官。
*生物打印:使用3D打印技术逐层沉积细胞和生物材料以创建复杂结构。
器官培育的进展
近年来,器官培育技术取得了显着进展:
*2012年:研究人员成功培育出第一个完全功能的生物人工心脏补片。
*2018年:科学家开发出一种新的方法,使用患者的诱导多能干细胞(iPSC)培育出个性化的肝脏小叶。
*2020年:研究小组首次在人体内移植了3D打印的合成心脏瓣膜,显示出良好的耐受性和功能性。
器官移植
器官移植是挽救患有终末期器官疾病患者生命的关键干预措施。然而,器官短缺是一个重大挑战,导致患者等待时间长和预后不良。
器官移植的进展
*活体捐献:活体捐献者(通常是亲属)捐献一个肾脏或部分肝脏给患者。
*脑死亡捐献:脑死亡患者的器官可以捐献用于移植。
*动物-人移植(Xenotransplantation):使用动物器官(例如猪的器官)移植到人类患者中。
器官移植面临的挑战
器官移植面临着一些挑战,包括:
*器官短缺:可供移植的器官远远少于需要移植的患者。
*免疫排斥反应:移植后,患者的免疫系统可能会攻击捐献器官。
*长期并发症:移植患者需要长期服用免疫抑制剂,这会增加感染和癌症的风险。
器官培育与器官移植的未来
器官培育和移植领域的持续进展有望解决器官短缺问题并改善移植患者的预后:
*个性化治疗:通过使用iPSC,可以培育出与患者基因匹配的器官,从而消除免疫排斥反应的风险。
*增加器官供应:器官培育有潜力大幅增加可用于移植的器官数量。
*复杂器官的生成:随着技术的进步,研究人员正在生成越来越复杂的器官,例如心脏和肺。
*异种移植:异种移植在解决器官短缺方面具有巨大潜力,但需要克服免疫排斥和感染风险等挑战。
结论
器官培育和器官移植技术正在迅速发展,有望为终末期器官疾病患者带来巨大的益处。通过持续的创新和研究,这些技术有可能解决器官短缺问题,改善患者预后,并彻底改变移植医学的未来。第六部分生物复制技术在再生医学中的应用关键词关键要点器官生成
1.克服排斥反应,培养患者自體的替代器官,避免异体移植带来的免疫问题。
2.减少器官移植等待时间,解决器官短缺问题,为危重患者提供及时救助。
3.实现器官的个性化定制,满足不同患者的特殊需求,提升移植成功率和术后生活质量。
组织修复
1.修复受损组织和器官,恢复其功能,改善患者的生活质量。
2.避免传统手术带来的创伤,实现微创治疗,加快患者恢复速度。
3.治疗复杂组织缺损,如脊髓损伤或神经损伤,为疑难杂症提供新的解决方案。生物复制技术在再生医学中的应用
随着生物复制技术的发展,其在再生医学领域的应用前景广阔。该技术能够解决人体器官移植供体匮乏的问题,为患者提供个性化、安全的治疗方案。
1.器官移植
生物复制技术可以创造出与患者基因匹配的组织和器官,从而避免移植后排斥反应。目前,已经成功利用生物复制技术培育出小鼠、猪等动物的器官。据估计,再生医学市场规模将在2030年达到730亿美元以上。
2.再生组织
利用生物复制技术培育的细胞可用于修复受损或退化的组织。例如,利用干细胞生物复制技术培育的心肌细胞可用于治疗心脏病。此外,生物复制还可以用于创建血管、神经和软骨等组织。
3.个性化医疗
生物复制可为患者提供个性化的治疗方案。通过培育与患者基因相匹配的细胞,医生可以根据患者的具体情况定制治疗方案,提高治疗效果和安全性。
应用案例
1.培育小鼠心脏
2019年,日本科学家利用生物复制技术培育出了世界上第一颗小鼠心脏。这颗心脏由干细胞发育而来,与供体小鼠基因完全匹配。
2.修复猪耳朵软骨
2020年,美国科学家利用生物复制技术成功修复了猪的耳朵软骨。该研究表明生物复制技术在再生软骨方面的潜力。
3.培育人造肝脏
2023年,英国科学家利用生物复制技术培育出人造肝脏。该肝脏由人类干细胞发育而来,具有部分肝脏功能,为肝病患者提供了新的治疗选择。
挑战与未来方向
生物复制技术在再生医学中的应用仍面临一些挑战,包括:
*技术复杂性高,成本昂贵
*伦理和安全问题
*有效性和长期效果需要进一步验证
未来,生物复制技术将在以下方面进一步发展:
*提高效率和降低成本
*解决伦理和安全问题
*探索更多应用领域,如癌症治疗和神经损伤修复
总而言之,生物复制技术在再生医学领域拥有广阔的前景。它有望为器官移植、组织再生和疾病治疗提供新的解决方案,改善人类健康水平。第七部分合成生物学在生物复制中的潜力关键词关键要点合成生物学在生物复制中的潜力
主题名称:合成生物电路的构建
1.通过工程化基因调控网络,建立可预测和可定制的生物电路,控制细胞过程。
2.利用合成生物学工具,优化基因表达和靶向调控,提高复制效率和保真度。
3.探索具有不同逻辑运算和控制机制的生物电路,实现复杂的细胞行为。
主题名称:克隆技术的发展
合成生物学在生物复制中的潜力
合成生物学是利用工程原理设计、构建或改造生物系统的新兴学科,在生物复制领域具有广阔的前景。
一、DNA合成技术的进步
合成生物学依赖于DNA合成技术的进步。随着合成寡核苷酸技术的飞速发展,合成长链DNA的成本大幅降低,使构建复杂生物系统成为可能。DNA合成技术使得研究人员能够精确设计并合成包含特定遗传序列的DNA片段,为生物复制提供了关键原材料。
二、基因组编辑技术的应用
基因组编辑技术,如CRISPR-Cas9,可以对生物体基因组进行精确的修改。这使得研究人员能够高效地修复缺陷基因、引入有益基因或构建合成基因回路。在生物复制中,基因组编辑技术可用于优化发育过程,纠正遗传缺陷或改造细胞以实现特定的功能。
三、合成生物回路的构建
合成生物学允许研究人员从头设计和构建人工基因回路。这些回路可以赋予生物系统新的功能,例如调节基因表达、触发特定行为或响应外部刺激。在生物复制中,合成生物回路可用于控制细胞发育、分化或再生过程。
四、生物制造
合成生物学在生物制造方面具有重大潜力。利用工程酵母菌、细菌或其他微生物,可以生产各种有价值的生物分子,如蛋白质、核酸和代谢物。这些产品可用于药物开发、材料科学和再生医学等领域。
五、人工生命的研究
合成生物学最终目标是创建人工生命形式。通过从头设计和构建具有自我复制、自我调节和进化能力的生物系统,可以探索生命起源和演化的奥秘。人工生命研究将为生物复制和理解生命本质提供新的视角。
六、用例和应用
合成生物学在生物复制中有着广泛的应用,包括:
*治疗性克隆:创建遗传相同或相似的细胞或器官,用于组织修复和再生医学。
*农业生物技术:开发高产或抗病害作物,提高粮食安全。
*生物制造:生产药物、燃料和材料,推进可持续发展。
*生物修复:改造微生物以清除环境污染物或生物降解有害物质。
*合成生命:探索生命起源和演化的奥秘,为解决复杂生物学问题提供新方法。
七、挑战和机遇
尽管合成生物学在生物复制中具有巨大潜力,但也面临着一些挑战和机遇:
*技术障碍:构建和控制复杂生物系统仍是一项技术挑战。
*伦理问题:人工生命的研究引发了伦理和社会问题,需要谨慎处理。
*监管框架:合成生物技术的应用需要建立健全的监管框架,确保安全性和责任性。
*跨学科合作:合成生物学需要跨学科合作,包括生物学、工程学、计算机科学和伦理学等领域的研究人员。
八、未来展望
随着合成生物学技术和应用的不断发展,其在生物复制领域的前景令人期待。研究人员正在探索合成胚胎、人工器官和再生疗法的可能性。合作和创新将推动合成生物学在生物复制中的进一步突破,为解决疾病、提高粮食安全和探索生命科学新领域提供变革性的解决方案。第八部分生物复制技术对伦理、社会和经济的影响关键词关键要点【伦理影响】:
1.物种界限的模糊化:生物复制技术打破了物种界限,引发了对物种多样性保护和生态平衡的影响担忧。
2.身份认同与亲属关系:克隆体与本体之间的身份认同和亲属关系引发伦理争议,挑战传统家族概念和遗产继承规则。
3.人与自然的关系:生物复制技术对人与自然关系的重塑提出质疑,模糊了人类技术干预生命过程的界限。
【社会影响】:
生物复制技术的伦理、社会和经济影响
伦理影响
*生命神圣性:生物复制挑战了生命的神圣性概念,引发了关于创造和结束生命道德责任的争论。
*身份和个体性:克隆体与供体共享相同的基因组,这引发了关于身份和个体性的本质的伦理学问题。
*人权和歧视:生物复制技术的应用可能会导致对克隆体基本人权的剥夺或歧视。
*滑坡效应:生物复制技术的可用性可能会导致其应用于不道德或危险的目的,例如创建人类强化人或优生学。
*自主权和同意:生物复制需要从供体获取遗传物质,这引发了关于尊重供体自主权和获取同意的问题。
社会影响
*家庭和社会结构:生物复制技术可能会改变家庭和社会结构,因为克隆体可能会被视为具有与原始个体相同的地位和权利的家庭成员。
*性别和生殖角色:生物复制技术挑战了传统的性别角色和生殖,有可能消除对性生殖的需要。
*社会分裂:对生物复制技术的不同看法可能会导致社会群体之间的分裂和冲突。
*心理影响:克隆体与供体的遗传相似性可能会导致心理问题,例如身份混乱、期望值过高或社会耻辱感。
*社会stigma:与克隆体相关的社会stigma可能会影响克隆体及其家庭的生活质量。
经济影响
*医疗保健成本:生物复制技术有可能通过创建用于器官移植的兼容组织或基因疗法来降低医疗保健成本。
*农业生产:生物复制技术可以用于创建具有优良性状的牲畜品种,从而提高农业生产效率。
*商业化和专利:生物复制技术有可能成为高度商业化的产业,导致专利争端和市场垄断。
*经济不平等:生物复制技术可能会加剧经济不平等,因为只有富人才能负担得起该技术的益处。
*监管和治理:生物复制技术的应用需要严格的监管和治理,以确保其负责任和道德地使用。
数据
*根据美国国家科学、工程和医学院2017年的一项研究,绝大多数美国人(79%)认为生物复制技术的使用应该受到严格限制。
*2018年的一项全球调查发现,69%的受访者认为克隆人应该受到尊重,
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