一头猪如何拯救人类?异种移植已从实验室走向临床

2022-01-19
来源:三九健康网 - 资讯
代表异种移植的门已经进一步打开,异种心脏移植安全性、功能一致性和免疫排斥等关键性技术问题解决了。
一头猪如何拯救人类?异种移植已从实验室走向临床
一头猪如何拯救人类?异种移植已从实验室走向临床

撰文 | 燕小六

来源 | “医学界”公众号

近日,全球首例猪心移植人体成功,轰动医学界。

当地时间1月12日,该名患者、57岁的大卫·贝内特(David Bennett)成功撤掉体外膜肺氧合设备(ECMO)。

因终末期心衰,他在美国马里兰大学医学中心(UMMC)接受治疗,此前已带机生存45天。

据报道,1月7日完成移植手术至今,贝内特情况稳定,未出现超急性免疫排斥反应,现已能自主呼吸、小声说话。

“国内对此有很多讨论,但熟悉异种移植的医师不多,觉得它令人兴奋又距离临床遥远。”中南大学湘雅三医院(以下简称湘雅三医院)首席专家、湖南省异种移植工程技术研究中心主任王维告诉“医学界”,UMMC事件代表异种移植的门已经进一步打开,异种心脏移植安全性、功能一致性和免疫排斥等关键性技术问题解决了。剩下的就是检验中长期效果。

异种移植,何时能说“成功了”?

过去几十年,全球医学界一直在探索异种移植的可能,包括将动物的器官、组织、细胞等移植到人体内。

胰岛是异种移植中最先成功的。王维告诉“医学界”,和心脏、肾脏等实质性器官不同,异种胰岛移植后没有超急性排异反应。

对于大部分器官,超急性排斥反应是物种保持种系延续的天然防御机制。

比如,猪的血管内皮细胞有一种名为alpha-gal的糖蛋白分子。包括人在内的灵长目生物体内则存在一种抗体,会攻击这种糖蛋白分子,广泛形成血栓,移植器官快速失去功能并死亡。

有研究表明,超急性排异反应一般发生在术后48小时内。过去,学界研究了一些药物,试图控制和处理这一情况,都没成功。

而此次猪心移植,术后近1周都未发生超急性免疫反应。王维认为,说明我们或已经有效地扫除了异种移植的巨大屏障。

成熟的基因编辑技术是关键。“我们可以敲除特定基因,让猪的血管内壁不产生alpha-gal糖蛋白分子。”

上世纪末,基因编辑理论成形。此后,科学界做了大量动物实验,包括美国国立卫生研究院研究人员将转基因猪的心脏,和实验狒狒的一根主动脉分支吻合。这颗“部分连接”的心脏存活900多天。

在原位心脏移植的动物实验中,转基因猪的心脏能完全取代狒狒心脏,存活接近1年。

转基因猪的肾移植也取得较好结果。2021年10月,美国纽约大学朗格尼医学中心移植研究所将一颗转基因猪肾,移植给一名脑死亡患者,随后54小时未观察到超急性排异反应,并表现了正常泌尿功能。

这次的猪心移植,站在前人的肩膀上又往前迈了一步:受者为意识清醒的人。

患者清楚异种移植是活下去的唯一希望,而手术也获得美国食品和药物管理局(FDA)基于扩大准入(同情使用)条款的“紧急授权”。

美国纽约大学朗格尼医学中心生物伦理学系主任亚瑟·卡普兰(Arthur L. Caplan)接受采访称,结果仍不确定的。“在未来几周内,贝内特仍有发生免疫排斥反应和病毒感染的风险。”

王维表示,评判异种器官移植给人的手术是否“成功”,要看两大指标。

第一,在克服超急性排异反应的基础上,能否控制获得性免疫的急性排异(包括T细胞介导的急性排异反应)及慢性排异反应,获得长期生存。这可能在临床移植后的几周、几个月或几年内发生,或导致移植器官坏死。

第二,检验猪心能否在功能上完全替代人心,承受人体日常活动量。

观察人体神经-体液调节系统能否重新掌握对移植心脏的调控,是评判的次要指标之一。在人体神经-体液调控因子作用下,运动和激动时心率加快,睡觉时心率减慢。但移植心脏由心肌自主控制,会在一定程度上脱离上述调控系统。

根据国际异种移植指导委员会意见,异种移植临床试验的目标是“永久性替换原有器官,必须有超过50%的受体生存时间长于6个月”。

就此看,心脏异种移植技术已经获得革命性突破,但依然走在趋于成熟的路上,是否可以进一步造福众生还需要观察和研究。

跨物种感染关已解决

国内,在异种移植研究这条路上,王维砥砺前行20余年。

中国是全球最早成功开展猪胰岛细胞人体移植治疗糖尿病的国家之一。早在1999年,王维就携湘雅三医院团队获得原国家卫生部批准,开始进行猪胰岛人体移植的Ⅰ期临床研究。他们用6年时间,做了22例1型糖尿病患者,证实猪胰岛移植到人体的安全性,也看到一定疗效。

2008年,由世界卫生组织(WHO)主导的“第一届全球异种移植临床研究规范研讨会”,在我国长沙召开。该次会议以王维团队成果为参考,拟定、发布世界首个异种移植纲领性文件《长沙宣言》。

4年后,王维团队依据《长沙宣言》和我国原卫生部相关规定,建立异种移植专用的“无指定病原体猪(DPF猪)”,启动Ⅱ期临床,涉及10例1型糖尿病病人。结果显示,相较于移植猪胰岛前,患者总体胰岛素使用平均减少50%以上,最好效果减量88%。

异种移植用猪做供体,源于WHO规范,“猪是目前唯一允许临床研究的异种移植供体动物……临床研究必须使用DPF猪作为供体”。

一方面,这是因为猪心、肾、肺、胰岛、角膜等器官的生理组织与人类相似。

上海交通大学医学院附属瑞金医院心外科副主任医师周密告诉“医学界”,其所在团队以猪为实验对象,做过不少手术。

“猪心和人心的解剖结构基本一致,仅角度有所不同,人心偏左侧,心尖朝左下方,猪心脏在胸骨正后方、心尖朝下。在相同体重的条件下,猪心和人心的大小也相似,两者的动力学相近。猪心若和人体吻合,没有特殊的技术障碍。即使吻合的端口大小略有不匹配,这样的情况在同种异体心脏移植(就是通常意义的心脏移植)中也很常见,因此外科有一些缝合技巧,足以把供体心脏修整到‘匹配’。”

周密指出,从现有的同种异体心脏移植看,移植患者的一年生存率约为88%-90%,10年生存率约在70%左右。过往猪的寿命受到人为干预,但四川“猪坚强”活到十几岁。因此,移植猪心的使用年限或和人来源器官差不多。

另一方面,前期大量研究已证明,猪和人之间交叉传染的疾病相对较少。比如,猪不会感染人类的肝炎病毒、禽流感病毒、HIV病毒(艾滋病)等疾病,也不会发生埃博拉病毒感染等高危传染病。这提高了异种器官移植的生物安全性。

少不等于没有。依旧存在各种潜在的外源性和内源性感染风险。

2005年出于生物安全性考虑,WHO称,在找到解决办法之前,停止一切异种器官移植的临床试验。

通过高度屏障环境下培育DPF猪,成为排除外源性感染因素的有效手段。中国在这一领域提供成功的技术和范例。2012年底,中国长沙建成亚洲第一、全球第二家医用级(DPF)供体猪培育中心。

中国相关努力还得到WHO和国际异种移植协会(IXA)认同,被写入国际异种移植临床研究规范“The 2018 Changsha Communique”。

内源性感染风险,在于猪的基因组中有一些正常存在的猪内源性逆转录病毒(PERV-C)序列。这在猪身上不会表达出毒性。但当猪的细胞和人的细胞接触,PERV-C序列存在转移或交换到人的基因组中的风险。

王维想到的解决方案是“筛选法”。他坚信,肯定存在体内无PERV-C的猪种,只是需要刻意寻找。

团队曾到过十几个省区偏远乡村,筛查几十类猪源1万多份样本。最终,团队锚定一个猪种,再通过近交培育,养出一个遗传表型稳定且PERV-C完全缺失的猪种。它被命名为“异种一号”(xeno-1)。

而后,团队按照《长沙宣言》的“无指定病原体猪(DPF)”标准,进行培育。整个生长过程不用抗生素,不打疫苗,全靠空气、水、饮食等形成保护屏障,严格切断所有传染源。

相比王维,欧美的培育方法更“时髦”。2020年9月21日,《自然·生物医学工程》发文,介绍利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,培育出“猪3.0”。

“猪3.0”有13个独立的基因被修饰,包括敲除基因、解决猪与人之间免疫和凝血方面的不兼容问题。同时,通过全基因组灭活、剔除基因组里的PERV,消除病毒传播的潜在风险。

基因编辑的成就和隐忧

王维曾坦言,“猪3.0”的基因修饰点位过多。

在2018年的WHO会议上,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内,比较稳妥。

“在缺乏充足生物安全证据以前,基因编辑上限不超过15个,安全性要放在有效性之前。”王维解释。

在贝内特移植的猪心脏上,研究人员完成10处基因编辑。敲除猪体内3个会导致人体超急性排异反应的基因,转入6个帮助人体免疫系统接受猪器官的基因。为防止猪心过度生长,还敲除1个生长基因。

王维表示,尚不清楚具体被修饰的基因位点,可能包括促进猪心分泌免疫调节蛋白、阻断T细胞激活的基因。

术后,贝内特仍需要使用抗排异药物。“如果通过基因编辑、完全不用抗排异药,相当于人体内有一个抗排异药生产车间。万一出现机体发生变化、免疫抑制成为健康问题,机体自带的抗免疫排异蛋白分泌功能就会有害。”王维解释。

过多编辑基因,还可能带来新的风险。其中之一源自CRISPR-Cas9技术自带的“脱靶效应”,通俗理解就是“在错误的位置剪切”。编辑越多,或差错越多。

这可能破坏细胞的基本功能,导致3种结果。最好的情况是细胞死亡,不再往下遗传。第二种是致严重畸形,或基因表型出现差异,这样的培育猪会被淘汰。

学界最担心第3种情况:诱发恶性肿瘤。所以,基因编辑猪必须经过多代繁衍,以统计个体和种群的基因表型差异,并评估肿瘤发生率是否高于周围种群。

目前,王维的转基因猪已经繁衍到第四代,共200多头。对100多头进行二代测序,种群基因型很稳定,没有恶性肿瘤基因问题。最年长的猪已经8岁(相当于人类的40岁左右),没有显示肿瘤的发生。

伦理槛不难迈

目前,全球人源性器官供体仅能满足10%左右的移植需求。

“像(贝内特)这样一个破天荒的手术,我几乎能想象它可能引起的伦理争议。但我认为一旦异种器官移植在技术上的障碍被彻底攻克,伦理方面的阻力肯定会被冲散,在必死无疑和拥有一颗猪心的选择面前,有几个人会选择死呢?”外科医生、《心外传奇》作者李清晨撰文表示。

在王维看来,代表患者的“最底层”,和代表主管部门的“最上层”,都已接受异种移植。“2008-2018年的10年间,WHO3次召开异种移植临床研究规范研讨会,不断颁布和更新国际标准。过去提出的问题基本得到落实,也有了结论。”

WHO高度重视并推动异种移植,主要原因在于全球供体短缺现状,而异种移植被认为可能是供体短缺的解决方案。

2020年6月11日,在第四次“中国器官捐献”主题活动上,前卫生部部长黄洁夫表示,我国每年苦等器官移植的患者约30万人,同期器官移植数量仅约2万例,“缺口很大”。

另一个重要原因是“质量控制”。人源性供体存在器官质量无法控制等缺点,生物安全性难以保障。器官捐献者的年龄、身体基础状况不同,有些人可能患慢性疾病,或存在某些病毒隐性感染。这些都给接受器官移植的患者带来较大的安全性风险。

与之相比,异种器官移植的优势明显。通过工业化、标准化养殖,严格饮食控制与环境管理,切断各类传染病的传播途径,就能获得高质且数量相对充足的供体器官。

近年来,欧洲一些国家做过投票调查。不管家中是否有患者,民众普遍表示“接受异种器官移植”。

李清晨告诉“医学界”,普通人排斥异种移植,可能跟一些古老观念有关。比如,心可能代表情感、情绪乃至灵魂。但从科学角度,心脏这一器官就是一个肌肉泵。

“事实上,同种器官移植对于供体家属来说,做出捐献决定是一个不小的折磨。而如果未来异种移植或人工器官技术能走向成熟,反而能解决一部分伦理问题。”

“心脏移植物替代研究从一开始就分成两个方向,一个是机械方向,一个是生物方向。前者的成果就是心室辅助装置,媒体和民众喜欢称之为‘人工心脏’。植入人体后,我们不会说人就变成机器人了。同理,把一个生物学方法制备的心脏植入人体,人也不会变成动物。”周密表示。

王维解释,人的意识是由大脑决定的。移植器官无法分泌出任何可以影响大脑思维方式的物质。“有些人在移植后,可能出现情绪、情感变化。这或是移植手术、个人深入思考所导致的,就像部分上过战场的士兵会出现创伤后应激障碍一样。”

王维进一步解释,异种移植不会影响生殖细胞,不会引起人的基因变化,也不存在代际传递等问题。

“除非出现更好的移植替代物,不然,异种移植将是持续发展的新医疗技术。”

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