陈根:首例猪肾脏移植宣告成功,异种移植未来已来?

文/陈根

10月19日,世界首例猪肾脏移植人体手术宣告成功,震动全球。实验成果来自美国纽约大学朗格尼医学中心移植外科Montgomery教授团队。

实验当日,Montgomery教授团队用手术夹钳将患者的血液与猪的肾脏分隔,一旦他们松开夹钳,血液就会注入这个新器官——Montgomery为这一时刻已经准备了三年。在最坏的情况下,新肾脏将迅速变成蓝色,表明免疫系统出现了排斥反应。同时,它也意味着,Montgomery团队这几年的工作付诸东流。

幸运的是,移植术后,猪肾没有出现排异反应,几乎立即开始正常工作,产生尿液和肌酐,并正常工作了54个小时,直到实验结束。Montgomery 表示,效果甚至比我们预期的还要好。

此次实验的成功,可以说是异种移植的一次突破性进展,是数十年来人类寻求使用动物器官异种移植挽救生命的重要一步——异种移植的时代,将要到来了吗?在异种移植实现临床以前,我们又还要面对什么障碍?

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器官移植缺口巨大

之所以要发展异种移植,其根源还在于器官移植的巨大缺口。

1954年12月23日,美国成功进行了世界第一例人体器官移植。此后,器官移植技术快速发展,20世纪70年代以来,器官移植已经成为肾功能衰竭和其他器官疾病患者的切实选择。然而,由于捐献的器官数量有限,大量患者需要在长长的队伍中等待救命的器官。

据世界卫生组织统计,全世界每年大约有200万人需要器官移植,而器官供体的严重短缺,让全球平均器官供需比不足1:20。仅在美国,就有超过10万人正在等待合适的器官,其中超过9万人在等待肾脏移植。肾脏的等待时间平均为三到五年这意味着,平均每天都有超过20人在等待器官的过程中离开人世

全世界的科研人员都在尝试通过多种途径解决器官移植短缺问题,异种器官移植无疑是其中比较具有应用前景的手段。人们梦想着异种移植能在某一天实现,即用动物器官来解决可供人类移植的器官短缺问题,但异种移植通常是危险的。

异种移植的最大障碍是不相容性。人体强烈排斥与自身不完全相似的细胞存在,这使得人与人之间的移植也变得非常棘手。潜在的捐赠者需要尽可能接近受体,无论是在遗传学还是血型方面,而受体需要服用免疫抑制剂以保持较低的排斥率。然而,当试图跨越物种障碍时,排斥问题会更加复杂。

事实上,早在17世纪,就有人尝试用动物血液给人类输血,当然,结果可想而知。后来,科学家们试图利用灵长类动物的器官来避免排斥问题。但由于各种原因,并没有出现成功案例。

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1984年,经过多年的研究,美国洛马林达大学医疗中心的移植外科医生Leonard Bailey认为他已经克服了免疫系统对外来器官的快速排异反应。随后,他将一颗狒狒的心脏移植到一个出生仅12天的畸形婴儿体Fae内。然而,这并未能拯救Fae,她在手术后第21天死于机体排斥和器官衰竭。

此后,科学家们将研究重点从灵长类动物转向了猪,猪成为解决器官短缺问题的研究重点。因为猪本身就作为人类的食物而被养殖,因此用于器官移植所产生的的伦理问题较少,此外,猪的产仔数量大,妊娠期短。并且,猪和人类还有许多共同点,无论是生理上、解剖上,还是基因上。

实际上,几十年来,来自猪的心脏瓣膜、来自猪肠的肝素、以及猪皮移植物和猪角膜,已经被成功应用于人类的治疗。比如,血液稀释肝素是从猪肠中提取的;猪的皮肤移植被用于烧伤;中国外科医生曾用猪的角膜来恢复患者视力。

但是将猪的整个器官移植给人类,首先面临的问题依然是免疫排斥,这主要是由于猪携带的基因产生的α-Gal(α-半乳糖)抗原所致。事实上,人与猪的不同之处就在于,猪比人多一种蛋白酶,这种蛋白酶可以把α-Gal置于存在于细胞表面的分支糖链上,使得人体的免疫系统把α-Gal作为攻击的信号。

毕竟,此次猪肾脏移植人体手术得以成功的一个关键原因,就是用基因技术,敲除了会引起免疫排斥的α-Gal基因。

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希望和挑战并存

此次猪肾脏移植人体手术的实验来自美国纽约大学朗格尼医学中心移植外科Montgomery教授团队。值得一提的是,Montgomery医生本人就是心脏移植的接受者深知异种移植技术的重要性和迫切性。为了此次实验,Montgomery已经准备了多年。

Montgomery医生团队用的转基因猪肾脏,来自于Revivicor公司的GalSafe猪。 如上所述,猪携带的基因产生的α-Gal抗原,是使得人体的免疫系统把α-Gal作为攻击的信号,为了消除这个攻击信号,Revivicor公司通过CRISPR基因编辑方法,敲除了在猪细胞表面添加α-Gal的蛋白酶,让猪细胞不再表达α-Gal,从而克服了超急性排斥反应。 

转基因猪由此被赋予了GalSafe猪的名字。2020年12月15日,美国FDA宣布GalSafe猪获批上市。这种家猪可能用于食品或人类治疗。新闻稿指出,这是 FDA批准的首个可以同时用于人类食物消费和作为潜在疗法来源的IGA动物,但尚未评估这些猪用作异种移植产品或植入人类受试者。此次Montgomery教授团队的实验就是一次对GalSafe猪的良好试验。

接受猪肾移植的则是一位脑死亡的女性,且肾功能不全,其家人同意在停止生命迹象前进行该项实验。因此,Montgomery教授团队将基因改造过的猪肾脏连接到患者腹部外侧的大腿血管上,并对患者的身体情况进行了两到三天的观察。

移植手术结束后,器官接受者的身体没有立即出现排异反应,猪肾在与患者血管相连后,正常发挥过滤废物、产生尿液的作用正常工作了54个小时同时,患者的肌酐水平也在术后恢复正常,肌酐水平是衡量肾功能是否健全的指标之一。在移植手术后3天,患者生命支持设备按预定日期去除。

Montgomery表示,器官在体外发挥作用的事实,有力地表明它在体内也会发挥作用。“这比我们预期的还要好,”他说,“它看起来就像我做过的任何活体捐赠者的移植手术。很多来自死者的肾脏无法立即工作,需要几天或几周的时间才能开始工作。而这次的移植立即就起作用了。”

当然,虽然作为世界首例猪肾脏移植人体手术Montgomery团队大获成功,但从在异种移植的角度来讲,离真正的异种移植临床又还有很大距离。

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一方面,从试验对象来看,这次试验的受体是一位脑死亡的女性,在家属同意后,研究团队并没有像正常器官移植那样将肾脏移植到髂内动静脉上,而是选择和受体大腿的血管相连。在接下来的 54 个小时里,肾脏被放在受体体外保存。

虽然方便了研究人员从外部观察肾脏的外观和功能状态,但也意味着,异种肾移植手术并非为了拯救患者,只是一次在人体上进行的技术验证。在 54 小时的观察后,试验结束。目前,这项研究并没有经过同行评议,也暂无数据发表。

另一方面,虽然通过基因技术敲除α-gal 后能够逃避超急性排斥反应,但 α-gal 仅仅是超急性排斥反应靶点中的一个,其他靶点还包括但不限于:CMAH 基因,CMAH 基因存在和表达能够引起异种移植免疫排斥;ASGR1 基因,ASGR1可以被受体的免疫细胞识别并攻击,引起急性的血管内凝血,造成猪器官的快速失活,同时还可以诱发异种移植后受体发生血小板减少症等等。

人类对于器官移植的探索已经持续了数百年,并且已经解决了许多阻碍猪肾移植的历史障碍。因此,面对猪肾异种移植作为缓解目前人体器官捐赠短缺的问题,并为终末期肾病患者提供更大的长期生存机会和更好的生活质量的这一潜力技术,我们也不妨多一些乐观的希望。

 

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