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将从餐桌走向手术台的猪器官

2015年11月16日 10:07 sciencenet.cn   孙学军阅读:533次
 
  白色碎冰上的猪肺,看上去和屠宰场猪肺没有两样,不过这不是普通的猪肺,而是将用于移植给狒狒研究用的猪肺,这是巴尔的摩马里兰大学医学院外科医生6小时前从造价高昂的猪身上摘取的猪肺。如果运气不错,这个猪肺将能在6岁的狒狒胸腔内继续存活。
  助理将猪肺拿给Lars Burdorf,他正和手术助手们给狒狒进行猪肺器官移植手术。经过5小时气管和血管缝合等繁琐过程,这个耗资5万美元的操作只能给研究增加一个样本数。这一大型研究项目是10多个实验室几十个免疫学家的集团研究,研究目的利用免疫学和基因工程技术解决人类器官来源的问题,简单说就是用猪器官代替人类器官来挽救人类生命。这次研究如果成功,将是研究往最后成功前进了一大步,说明将猪器官能在狒狒体内存活。
  马里兰实验室负责人罗宾·皮尔森负责将50个猪器官移植给狒狒,测试灵长类动物对不同组合的转基因猪和抗免疫排斥药物的反应。虽然进行了大量尝试,但至今没有一个器官受体灵长类动物生存超过几天,免疫系统的复杂性和由猪病毒感染的可能性是可怕的,让许多大公司知难而退。
  这种困难现在开始有了曙光,主要是得益于免疫抑制药物和基因组编辑新技术如CRISPR/Cas9的快速发展。这些技术让科学家能方便快捷地编辑猪的基因,把那些会导致排斥和感染的基因灭活,这在过去是很难实现的。波士顿eGenesis公司2015年10月宣布已经成功对猪的62个基因进行一次性批量编辑。





  一些科学家预测,几年后将会有人类接受基因修改后猪实体器官的临床试验。马里兰United Therapeutics生物技术公司在转基因猪肺人类移植方面投入1亿美元,这是该领域近10多年内最大规模的产业化投入,该公司计划2020年前开始临床试验。但是许多科学家认为这不太现实,监管机构也很难被说服同意开展这种高风险的试验。
  悉尼大学韦斯特米德医院外科医生Jeremy Chapman说,从科学角度看他们已经接近成功,但是这一领域显然需要面对各种各样的问题,跨种器官移植领域的现实是,每克服一个障碍,总会有更大的障碍等在哪儿。
  至少1960年代就已经有人开始跨种器官移植的临床应用尝试,是将狒狒和黑猩猩的肾脏移植给人类患者。这次尝试不那么成功,患者几个月内都死亡了,主要死因是患者免疫系统对移植器官的攻击和排斥反应。主要贡献是建立起来跨种器官移植的概念,是挽救成千上万等待供体器官患者生命的一个希望。
  1993年,匹兹堡大学北美器官移植中心David Cooper和同事发现,在移植以后几分钟内,人类免疫系统会启动免疫排斥反应,针对的攻击对象是单个猪抗原,这种抗原是一种在细胞表面的糖α-1,3-半乳糖或α-gal,这是器官排斥反应的启动因素。α-1,3-半乳糖苷转移酶是产生这种糖必须的酶,理论上抑制这种酶或敲除这种酶的基因就可以避免排斥反应。
  这一发现和其它器官移植领域的进展让跨种器官移植看起来很容易实现,吸引了一些大型医药公司的兴趣。1996年瑞士诺华制药开始在跨种器官移植领域投入重资,Geoffrey MacKay当时是该公司这一方向的移植和免疫学负责人。MacKay说诺华当时不仅是希望解决器官短缺问题,而且希望通过转基因解决一些免疫排斥问题。MacKay现在是eGenesis临时首席执行官。诺华开始计划在异种器官移植方面投入100万美元,包括科学研究和全球无菌饲养猪的设施。其它一些公司包括Genzyme和PPL Therapeutics的投入规模都比较小,FDA也开始制定相关指南和标准。
  但免疫系统显然不是那么简单,即使用药物抑制α-gal的产生,接受猪器官移植的狒狒仍然只存活几周。另一个问题是感染。即使保持供体猪完全无菌,猪基因组上散布着许多休眠内源性逆转录病毒,研究者担心这些病毒转入人体后会被激活对人体造成损害。这一难关对这一领域产生了打击,2000年代早期,诺华停止了该公司的异种器官移植项目,解散了研究团队。
  异种器官移植在接下来的十年一直没有很突出进展。一些研究小组和企业尝试猪组织移植,相比使用固体器官,组织移植免疫反应不是那么严重,因此是比较容易成功的计划。今年4月,中国监管机构批准使用猪眼角膜移植。猪胰岛细胞移植研究项目也正在开展。
  第一个商用胰岛素细胞可能来自新西兰一家生物技术公司,该公司开发了一种活细胞技术(LCT),是用一种凝胶状“露珠”将猪的胰岛细胞封装起来,以避免人体免疫系统的攻击和排斥。产品称为DIABECELL,目前已在几个国家进行后期临床试验。患者植入细胞后细胞存活超过九年,期间没有发生免疫排斥或感染。
  2003年,Revivicor公司创始人Ayares和他的同事创造了第一个删除α-gal的克隆转基因猪。美国外科医生Mohiuddin和同事将敲除α-gal基因的猪心脏移植到狒狒体内。这些修改大大延长了器官在狒狒体内的生存时间。虽然移植心脏在功能上并没有完全取代狒狒的心脏,但狒狒的生存期延长到两年半。但是这种转基因猪,通常需要几代育种来去除猪的一个特定的基因。第一个α-gal-knockout猪花了整整三年,现在从头开始造出一个转基因猪只需要150天。基因编辑甚至可以免除免疫抑制剂的使用,利用基因编辑技术编辑相关免疫的基因,那就无需使用免疫抑制药物了。
  基因编辑的进步让投资者对器官移植研究充满信心。2011年,United Therapeutics 公司以约800万美元的价格收购Revivicor公司,宣布启动为期十年基因编辑猪肺的临床试验的雄心勃勃的计划。
  LCT技术封存胰岛细胞的成功,许多人希望胰岛细胞将成为第一个基因编辑的组织进入临床试验,为更加困难的器官移植研究铺路。
  2014年,United Therapeutics 公司与一家生物技术公司合作成立了一个5000万美元的合成基因组学(SGI)项目,SGI不是简单地敲除抗原基因,SGI是结合组织工程学,以特别的方式回避免疫排斥,如以猪细胞产生的表面受体作为分子海绵,吸收会攻击器官的人类免疫信号分子。
  该公司在胚胎上改变细胞表面抗原的20多个基因,并将胚胎植入母猪体内。该公司还用CRISPR灭活在猪肾脏细胞中的62个猪内源性逆转录病毒基因。研究人员已经将进行基因编辑后的细胞核转入猪胚胎。即使可以保证不被内源性逆转录酶感染,还是存在其他问题的,比如猪器官能否在他们的“新家园”正常工作。比如,猪肾脏能否对人类激素起作用来控制排尿,或猪的肝脏产生的蛋白质是否会正确地与人类的系统相互作用。因为猪的寿命只有十年,他们的器官可能无法工作到人类生命结束的那一天。即使使用异种器官移植作为“桥”,直到找到一个合适的捐赠者,也会存在很大的困难。例如,心脏移植后,纤维组织周围形成新的组织,使第二次移植非常困难。
  我们已经知道器官移植还存在很多的障碍,对于开篇提到的Pierson 的手术,我们也大概猜到了结局。马里兰大学Pierson 研究团队的移植手术结束大约半个小时以后,转入了猪肺的狒狒苏醒过来,研究人员开始监测生命体征。肺功能在当天晚上表现良好,甚至能够在另一个肺血流供应不足时仍能提供足够的氧气。但第二天,狒狒还是令人绝望的挂了。Pierson说,这是意想不到的,因为猪的多个基因改造似乎和狒狒的免疫系统配合得很好。尸检表明血液在肺部积累成血栓。与异种移植的中许多其他方面的问题一样,皮尔森说,“这是一个我们仍需要学习的问题。”
  http://www.nature.com/news/new-life-for-pig-to-human-transplants-1.18768 

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