异种移植|一头猪要如何拯救人类？异种移植从科学研究正走向临床治疗
Xenotransplantation ， 一个长达19个字母的医学专业单词 。 词缀“Xeno-”来自希腊语 ， 代表“异、外国人” ， 所以单词的意思是“异种移植” 。 大意是将动物的器官、组织、细胞移植到人的体内 。
像狮身人面像或死神阿努比斯这样的造物 ， 科学还无能为力 。 但为了治疗糖尿病 ， 以湘雅三院王维教授为代表的医生们已经能将猪胰岛细胞移植到人体了 。 据王伟教授介绍 ， 进行了临床试验的受试者糖尿病已经得到较好控制 。
更具未来感的进展来自启函生物的杨璐菡博士团队 ， 他们利用基因编辑技术进行了13个点位的基因修饰 ， 培育（克隆）了代号为“3.0”的猪 。 理论上这种猪不再拥可能导致移植失败的两个关键危险因素 ， 是可以用于临床的异种器官移植雏形 。
而近日 ， 杨璐菡也已经在Nature子刊发表了相关的研究论文 。 有国外科学家认为 ， 这项研究位无数等待器官移植的病人带来了希望 。
异种移植 ， 到底何时可以广泛应用呢？
王维教授告诉红星新闻 ， “猪3.0”的基因修饰点位略多 ， 由于植入不少抑制人体免疫反应的基因 ， 这种基因修饰后的猪 ， 作为异种移植的生物安全性还需要经过验证 ， 在王维参与的2018年“第三届WHO全球异种移植临床研究规范研讨会”上 ， 世界专家们曾达成共识 ， 如果要使用基因编辑技术对异种器官移植来源进行修饰 ， 修饰基因点位控制在尽可能少的范围以内比较稳妥 。 ”
中国器官移植现状：
2018年每百万人口器官捐献率为4.53
“修不好就换掉” ， 从某种意义上说 ， 移植是一些终末期疾病的终极治疗方案 。 但伴随着社会老龄化、慢病增多、某些疾病年轻化等因素交织在一起 ， 中国乃至全球对器官移植的需求越来越多 。
目前 ， 在中国 ， 公民逝世后自愿器官捐献成为器官移植使用的唯一渠道 。 据《中国器官移植发展报告(2015—2018)》 ， 自2015年1月1日至2018年12月31日 ， 中国公民逝世后器官捐献累计完成18294例 。 其中 ， 2018年完成器官捐献6302例 ， 位居世界第二位 。 每百万人口器官捐献率从2015年的2.01上升至2018年的4.53 。
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虽然成绩惊人 ， 但中国器官移植的供求关系依旧紧张 。 2020年6月11日 ， 在中国器官移植发展基金会发起的第四次“中国器官捐献”主题活动上 ， 前卫生部部长、中国器官移植发展基金会理事长黄洁夫说 ， 目前每年因终末期器官衰竭而苦苦等待器官移植的患者约有30万人 ， 每年器官移植数量仅约2万例 ， “缺口很大” 。
2019年12月17日 ， 在《中国器官移植发展报告(2015—2018)》发布时 ， 国家卫健委副主任王贺胜表示 ， 中国每年器官捐献数量与患者需求相比还有较大的差距；当前中国器官捐献与移植领域发展不平衡、不充分的问题也还比较突出 。
异种器官移植的尝试——为什么最终选择猪？
【异种移植|一头猪要如何拯救人类？异种移植从科学研究正走向临床治疗】将动物的器官移植到人身上 ， 人类在许多年前就进行过“疯狂”的探索 。
1665年 ， 英国大夫Richard Lower完成了首例动物输血手术 ， 即采集一只狗的血后输入另一只狗的体内 。 1667年 ， Richard Lower又将绵羊的血液输给一位名叫Arthur Coga的男性患者 。 或许是由于“超急性免疫排斥反应”的存在 ， Arthur Coga当场死亡 。
此后一段时间 ， 为人输送动物血液成为一种治疗疾病的方式 ， 但由于免疫排斥反应的存在 ， 患者死亡的案例屡见不鲜 ， 随后这种动物血液输送给人的手术被禁止实施 。
再往后 ， 大夫们还尝试过羊胰腺碎片移植、黑猩猩睾丸和卵巢移植等手术 ， 均没有达到长期良好效果 。 随着对异种移植研究的加深 ， 医生们开始锚定某些固定物种作为供体对象 ， 与人类亲缘相近的灵长类自然当仁不让 。
除了前面提到的黑猩猩 ， 大夫们还尝试移植过狒狒的器官 ， 然后最终患者都不可避免的走向了死亡 。 直到后来人们才意识到 ， 人与动物之间的异种移植存在一道天然屏障 ， 免疫系统会对外来的组织或细胞产生排异反应 。
另一方面 ， 灵长类动物有不少都是珍稀动物 ， 对其进行器官移植会产生伦理问题 。 此外 ， 灵长类动物的器官大小其实跟人类并不匹配 ， 而且它们与人类的亲缘关系实在太近 ， 容易带来病毒感染、引起人兽共患病 ， 甚至为人类社会带来新的传染病 。
中南大学湘雅三医院教授、湖南省异种移植工程技术研究中心主任王维告诉红星新闻 ， “猪的器官大小与人类相近 ， 也与人器官的生理功能相似 。 以猪胰岛素为例 ， 猪胰岛素与人胰岛素相差仅一个氨基酸 ， 可以在人体发挥应有的功能 。 而且猪与人类共同生存了这么多年 ， 没有发现不可避免的严重的人兽共患病 ， 全球科学家数十年的研究结果证明经过猪作为移植供体是可行的 。 ”
猪 ， 这种与人类相伴了一万余年的家畜 ， 成为了科学界目前公认的适合的异种移植供体对象 。
从猪到人的难题：
内源性逆转录病毒的传染可能性
几十年前 ， 猪的组织就已经在帮助人类进行治疗和恢复 。 例如猪的心脏瓣膜可以用来进行心脏瓣膜置换手术 ， 猪的小肠粘膜组织则能用来进行膀胱和直肠的修复 。
不过 ， 上述移植物主要是失活的结构性组织 ， 其中猪的细胞已经被移除 ， 移植之后这些移植物会被人类受体细胞重新填充 。 这种手法或许暗示了异种移植的发展方向 ， 但是对于科学家来说 ， 他们更期待让可行的猪器官和细胞于移植后继续在人体发挥作用 。
上世纪90年代 ， 欧美各国曾花大力气来推动猪器官移植项目 ， 几个全球大药厂也投入巨资希望解决猪器官的人体排斥问题 。 但后来科学家们发现 ， 猪的基因组里存在猪内源性逆转录病毒序列（Porcine endogenous retrovirus ， PREV） ， 出于对生物安全性的考虑 ， 世界卫生组织最终明确要求 ， 在找到解决办法之前 ， 停止一切异种器官移植的临床试验 。
据《科学杂志》2020年第3期《病毒如何与人类共进化——内源性逆转录病毒的秘密》 ， 作者中国科学院上海巴斯德研究所研究员崔杰指出 ， 内源性逆转录病毒序列几乎嵌在于所有动物的基因组中 ， 包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类 。 它被认为是古老病毒感染宿主祖先的生殖细胞、并侵入宿主基因组后产生的遗留元件 ， 之后与宿主一起经历大时间尺度的共同进化 。
以猪为例 ， 猪内源性逆转录病毒序列在猪身体里不会表达出毒性 ， 但当猪的细胞和人的细胞接触时 ， 这种病毒序列可能会从猪的基因组转移或交换到人的基因组中 。 内源性逆转录病毒跨物种传播的典型案例是HIV病毒 ， 它从灵长类动物传播到人类 ， 最终酿成了传播至今的高危传染病 。
崔杰也在文章中指出 ， 内源性逆转录病毒存在跨物种传播现象 ， 并且内源性逆转录病毒跨物种传播引起的宿主频繁转换现象 ， 发生在宿主的全部进化过程中 。 例如一种分离自马铁菊头蝠的具有代表性的逆转录病毒——RfRV（Rhinolophus ferrumequinum retrovirus）其实起源于树鼩 ， 并非起源于蝙蝠 ， 这说明该病毒是跨种传播而来的 。
王维告诉红星新闻 ， 猪内源性逆转录病毒有ABC三种类型 ， 单纯的A或B或C的存在都没有问题 ， 但是假如AC重组或BC重组后 ， 再和单细胞进行培养的时候发现这些病毒会与产生基因交换 ， “这是移植专家关注的问题异种 ， 经过大量相关实验研究与临床研究 ， 最终国际异移植专家达成了共识 ， 如果供体猪种的体内没有‘病毒C’那就是安全的 ， 就可以作为异种移植供体猪培育 。 ”
长沙宣言的诞生：
异种移植研究从实验室研究进入临床治疗阶段
2008年WHO希望推动异种移植临床研究 ， 但是如何防止临床实验导致的跨种系感染的风险 ， 需要尽快形成国际统一临床研究规范 ， 以保证异种移植进入临床的生物安全性 。
据中国科学报 ， 2005年5月 ， 第九届国际胰腺胰岛移植协会年会在瑞士日内瓦召开 。 王维宣读了经中国卫生部批准的猪胰岛细胞移植治疗Ⅰ型糖尿病的临床研究报告 ， 证明新生猪胰岛经肝内移植治疗Ⅰ型糖尿病安全、有效 。 该研究成果引起了国际同行的重视和讨论 。
2008年 ， 世界卫生组织(WHO)经过广泛调研后 ， 给卫生部发来了一封传真 ， 称“中南大学团队对糖尿病患者进行了猪胰岛异种移植的先驱性研究 ， 安全性良好” ， 建议由中国团队、国际异种移植协会和WHO共同主持制定全球异种移植临床研究规范 。
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全球异种移植临床研究规范研讨会图源：王维
当年11月 ， 世界卫生组织联合国际异种移植协会、中国卫生部在湖南省长沙市召开了全球异种移植临床研究规范研讨会 ， 会议通过了《国际异种移植临床研究规范》 ， 称为“长沙宣言” ， 标志着异种移植研究从实验室研究进入临床病人治疗阶段 。
据《长沙宣言》 ， 用于异种移植的动物应来自为此目的而饲养的封闭群 ， 并在控制良好、无病原体的环境中饲养 ， 具有高标准的动物福利 。 来源动物应经过广泛的测试 ， 以确保没有已知的病原体 ， 并有适当的生物安全和监测 ， 以确保继续没有传染病 。
《长沙宣言》还提示 ， 由于异种移植存在的群体风险 ， 异种移植临床试验和程序需要得到有效监管 。 在国家政府缺乏有效监管的情况下 ， 不应进行异体移植 。 监管应该有法律依据 ， 有权禁止不规范的程序 ， 并强制要求遵守监管要求 。 监管制度应当透明 ， 必须包括科学和道德评估 ， 并应让公众参与 。
除此之外 ， 《长沙宣言》还提出了受试者知情同意、控制风险、保存样本、治疗公平等原则 。 王维表示 ， 《长沙宣言》的出现 ， 意味着世卫组织对异种移植的态度从“关注”变为了“推动” 。
如何去除PERV？
两种方法：人工筛选与基因编辑
面对如何去除猪内源性逆转录病毒（PERV）这个难题 ， 王维用的是筛选法 。 从2000年开始 ， 王维用了许多年的时间走遍中国 ， 上至青藏高原 ， 下至海南岛 ， 试图寻找一种体内没有病毒C的土猪 。
王维告诉红星新闻 ， 体内不存在病毒C的猪种是肯定存在的 ， 只是需要去刻意的寻找 。 并且越是偏远地区的土猪猪种越有可能没有与外界进行基因交流 ， 越有可能保留基因独特性 ， 有可能找到体内不存在猪内源性逆转录病毒C（PERV-C）的猪种 。
经过在全国提取11个猪种的10000多份样本进行筛查和综合评估 ， 确定了一个无内源性逆转录病毒C序列的猪种 ， 王维又将选定的猪种进行近交培育 ， 最终培育了一个遗传表现稳定的PERV-C完全缺失猪种 ， 被起名为“异种一号”（xeno-1） 。 而后 ， 这批猪还按照《长沙宣言》提出的“无指定病原体猪（DesignatedPathogen Free ， DPF）”标准在位于长沙的世界第二家医用级供体猪培育基地进行进一步培育 ， 并经国家级鉴定合格 。
相比较王维 ， 杨璐菡的方法则更加契合当前的研究热点 。 2020年9月21日 ， 启函生物杨璐菡博士等在 Nature 子刊 Nature Biomedical Engineering 杂志上发表了题为《Extensive germline genome engineering in pigs 》的论文 ， 介绍自己的团队利用CRISPR基因编辑技术成功开发出第一代可用于临床的异种器官移植雏形——“猪3.0” 。
据论文介绍 ， 猪 3.0 具有13个独立的基因修饰 ， 用以修改猪与人之间免疫和凝血方面的不兼容 ， 并根除了猪内源性逆转录病毒 。 具体来说 ， 启函生物的研究者将 CRISPR-Cas9 和转座子技术结合在一起 ， 他们在猪的体细胞中移除了3个基因 ， 因为这3个基因编码的酶会引发免疫反应 。 同时 ， 研究者还植入了9个基因 ， 其中6个为抑制人体免疫反应的基因 ， 3个调节凝血的基因 ， 并彻底根除了猪内源性逆转录病毒 。
杨璐菡在论文中提出 ， 由于PERV序列是猪基因组的一部分 ， 因此无法通过生物安全育种消除 ， 而CRISPR-Cas9基因编辑技术可以通过全基因组灭活消除病毒传播的潜在风险 。
杨璐菡在接受媒体采访时介绍 ， 现在团队正在灵长类动物身上测试做出来的器官的有效性和安全性 。
王维告诉红星新闻 ， 现在看来“猪3.0”进行基因修饰的点位似乎有点多 ， 尤其是植入的抑制人体免疫反应的基因 ， 综合个体差异等因素后看 ， 其表达后的产物可能存在控制难度 ， 所以这种基因修饰后的猪器官供体生物安全性需要进行验证 ， 在2018年“WHO第三届全球异种移植临床研究规范研讨会“上 ， 世界专家们达成了共识 ， 如果要使用基因编辑技术对异种器官移植供体猪进行基因修饰 ， 点位控制在尽可能少的范围内比较稳妥 。 ”
“建立基因编辑猪是异种移植十分重要的方向 ， 我们作为医生 ， 更看重安全性和稳定性 ， 我们如果觉得体内缺少什么成分 ， 会更愿意选择用药物进行可以控制的外源性补充 ， 这样更稳妥可靠 ， 在无法用药物控制的领域才会选择基因编辑的技术 。 ”王维也介绍说 ， 自己的团队目前也在开展了基因编辑技术对猪进行基因修饰的工作 ， 并已经形成适应于不同治疗领域的xeno-2和xeno-3 。 此外王维团队还已经完成了移植神经元细胞治疗帕金森病猴的实验研究 ， 实验结果也显示了出较好的效果 。
2011年 ， 《柳叶刀》杂志发表了一篇名为《Clinical xenotransplantation: the next medical revolution?（异种移植：下一场医学革命？）》的综述文 。 文章对异种器官移植的未来进行了展望 ， 作者提到 ， 除了器官外 ， 还可以移植胰岛治疗糖尿病 ， 移植神经元细胞治疗神经退行性疾病（如帕金森病） ， 移植肝细胞治疗肝功能衰竭 ， 移植角膜和神经视网膜细胞治疗各种形式的失明 ， 甚至还可以移植红细胞进行输血 。 如果储存方法成功 ， 猪角膜、胰岛和细胞可以成功地从发达国家转运到发展中国家 。
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《柳叶刀》文章内的图片
9年时间倏忽而过 ， 作者所期望的未来似乎正在向我们走来 。
红星新闻采访人员 严雨程
编辑 刘宇鹏
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