異種器官移植研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

金永勛，沈星輝，姜昊，梁爽，張嘉保，金南衡（.吉林大學動物科學學院實驗動物中心，吉林 長春 300 ；.哈爾濱醫(yī)科大學組織胚胎學教研室，黑龍江哈爾濱 5008）

異種移植，是指將一個物種的細胞、組織及器官移植到另一個物種體內(nèi)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年約有150萬人需進行器官移植，但每年的器官捐獻者僅約1萬人，能得到移植治療的人數(shù)遠遠低于需要治療的人數(shù)。這已經(jīng)成為亟待解決的社會問題。豬與人的器官大小、生理構(gòu)造相近，生產(chǎn)周期較短，是目前異種器官移植的最理想供體。但用于人的豬源異種器官移植仍面臨3個主要瓶頸：免疫排斥反應(yīng)、豬內(nèi)源性反轉(zhuǎn)錄病毒（porcine endogenous retrovirus， PERV）的感染風險及移植的器官能否存活并長期、有效的持續(xù)發(fā)揮正常的生理作用［1］。本文就目前異種器官移植的研究和進展前景進行綜述。

1 異種器官移植現(xiàn)狀與存在問題

早期的異種移植供體首選是類人猿，與靈長類動物相比，豬在免疫學和生理學方面的差異雖與人類差距較大，但其具有大規(guī)模生產(chǎn)、與人類器官的大小相似、基因容易改造等優(yōu)點，因此，逐漸成為20世紀公認的異種器官移植供體動物［2-5］。用于人的豬源異種器官移植面臨3個主要障礙：① 移植物進入受體后引發(fā)的免疫排斥反應(yīng)，包括超急性排斥反應(yīng)、延遲性排斥反應(yīng)和T細胞介導的排斥反應(yīng)；② 移植的器官能否存活并長期、有效的持續(xù)發(fā)揮其正常的生理作用；③ 已經(jīng)與豬共生了幾百萬年、已經(jīng)整合于其染色體中世代相傳的PERV的潛在感染風險。這種潛在的病原傳播及引發(fā)疾病的風險性，也是限制豬器官能否成功應(yīng)用于臨床的一個關(guān)鍵性因素［1］。

1.1 免疫排斥：異種器官移植的最大障礙是移植后的免疫排斥反應(yīng)。對于異種移植的臨床應(yīng)用，必須優(yōu)先解決免疫排斥。在異種移植中，從超急性排斥反應(yīng)開始，急性體液性異種移植排斥反應(yīng)（acute humoral xenograft rejection， AHXR）和細胞介導的排斥反應(yīng)（cell-mediated rejection，CMR）接連發(fā)生，可在幾分鐘內(nèi)使器官功能紊亂，甚至導致器官衰竭。超急性排斥由已經(jīng)存在于受體的天然抗體GGTA1產(chǎn)生［6］。該天然抗體與移植物的血管內(nèi)皮細胞結(jié)合并激活補體系統(tǒng)，引起血管內(nèi)皮水腫和微血管血栓，進而阻止器官功能［7］。急性排斥反應(yīng)與超急性排斥反應(yīng)類似，但24小時后反應(yīng)開始減緩［8］。而少量抗α-1，3-Gal抗體或另一種天然抗體（non-αGal）即可和移植后被誘導的抗體結(jié)合，引起移植物血管內(nèi)皮細胞反應(yīng)，并最終引起血管病。對于異種移植的急性排斥反應(yīng)中，由多種免疫細胞參與，包括T淋巴細胞、B淋巴細胞、巨噬細胞、NK細胞而發(fā)生的侵襲和直接組織破壞，稱為細胞急性排斥反應(yīng)［9］。移植物中調(diào)節(jié)凝血的調(diào)節(jié)蛋白生理結(jié)構(gòu)差異也是產(chǎn)生急性排斥的原因。如由于豬移植物TFPI與人凝血因子Xa不匹配導致的血栓形成就是一個典型的例子［10］。

1.2 異種器官移植后宿主內(nèi)的存活能力：早在2005年，研究人員設(shè)法去除了豬細胞表面一個非常重要的免疫識別蛋白，并以這樣的豬作為器官供體，以免疫系統(tǒng)被藥物抑制的狒狒為受體，嘗試了人類史上第一次借助于遺傳工程的異種心臟移植［11］。結(jié)果，這些心臟在自己新主人體內(nèi)平均存活了92天，最長為179天。同年，另一組研究人員則在豬的心臟細胞表面人為添加了一種屬于人類的免疫識別蛋白［12］，移植到免疫抑制的狒狒體內(nèi)后平均存活96天，最長紀錄僅為137天。

韓國第一次嘗試異種移植是2011年11月［13］。韓國國家畜牧科技研究所研人員將生產(chǎn)出的GTKO豬的腎臟移植到食蟹猴身上。此后，先后進行了20多次腎臟和心臟的異種器官移植，其中腎臟生存時間最長為23天，心臟生存時間最長為43天。雖然實驗經(jīng)驗不多，也沒有其他研究團隊的協(xié)助，韓國國家畜牧科技研究所制定了生產(chǎn)以CD46為代表的GTKO和hCRP轉(zhuǎn)基因豬的規(guī)劃［14］。

上述案例共同反映了一個關(guān)鍵問題，就是異種器官移植后移植的器官在新的環(huán)境里不太適應(yīng)，無法長期存活。

1.3 豬內(nèi)源性病毒：PERV是一種以DNA形式整合入豬基因組中的反轉(zhuǎn)錄病毒，由PERV-gag、pol和env三基因組成，可隨細胞基因組的復制而復制。部分豬源細胞可釋放 PERV 病毒顆粒，并能感染多種體外培養(yǎng)的人源細胞。因此，消除 PERV 的潛在跨物種感染風險，是異種器官移植的必要安全考慮。解決 PERV 風險的途徑有兩種：① 通過基因修飾技術(shù)去除豬體內(nèi) PERV 基因；② 選育無 PERV 感染風險的豬。

2015年10月，哈佛醫(yī)學院遺傳學教授George Church及其團隊利用新的基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9，一次性滅活了隱藏在豬基因組中的62個PERV-pol基因片段，體外實驗驗證病毒的感染率被削弱了近1000倍，結(jié)果發(fā)表在Science雜志。同年，該團隊聯(lián)合創(chuàng)立了美國eGenesis生物技術(shù)公司，專注于將基于基因編輯的異種移植技術(shù)運用到臨床醫(yī)療程序中［15］。2017年5月，eGenesis 公司經(jīng)過多基因修飾的PERV陰性豬出生［16］。

2 異種器官移植發(fā)展前景

2.1 免疫排斥：異種器官移植的免疫學特征表明B細胞是導致抗體排斥反應(yīng)和凝血異常的主要因子。使用適當?shù)拿庖咭种苿种婆懦夥磻?yīng)，但免疫抑制過度也可能引起更嚴重的負面作用。今后克服免疫排斥反應(yīng)的主要手段是基因改造和找出最有效的免疫抑制方法。在移植后避免缺血性損傷和炎癥過程尤為重要。因為受體在接受異種移植后比同種移植更容易受到損傷，而引起免疫學反應(yīng)。

2.2 異種器官移植后宿主存活能力：豬壽命最長為20年左右，一般母豬3 ～ 4年后生產(chǎn)性能下降就會被淘汰。據(jù)報道，2011年中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所團隊克隆出了敲除α-1，3-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因的轉(zhuǎn)基因克隆豬［17］。它不僅已存活6年，并于2017年1月5日正常產(chǎn)仔6只。該基因敲除克隆豬已繁殖3代。正常產(chǎn)仔并存活充分說明克隆、基因敲除對該豬的健康和繁殖并無明顯的負面影響，并且基因敲除豬的器官壽命均超過6年，可達10～20年。在一定程度上淡化了對基因敲除克隆豬本身健康及移植物使用年限的擔憂。

2.3 豬內(nèi)源性病毒：目前尚未在接受豬細胞、組織或器官移植后的患者中發(fā)現(xiàn)PERV感染的直接報道，對接受豬皮膚移植、胰島細胞、腎、肝或脾灌注治療的患者中也未發(fā)現(xiàn)PERV感染的病例。已有證據(jù)表明，人血清在體外能通過經(jīng)典的補體途徑鈍化PERV［18］，人血清在SCID鼠中也具有鈍化PERV感染人細胞的能力［19］，而單獨純化的抗體則不能發(fā)揮鈍化作用，這表明血清中具有更復雜的抗PERV成分。此項研究也并未發(fā)現(xiàn)PERV在慢性免疫抑制狀態(tài)的靈長類動物中具有感染作用。盡管如此，PERV在何種情況下才會在體內(nèi)感染將成為日后持續(xù)監(jiān)控的重點［1］。

3 結(jié) 論

異種器官移植經(jīng)過缺乏免疫學知識、無有效免疫抑制劑的前提下盲目把其他動物器官直接移植到人類的時代，現(xiàn)已進入利用轉(zhuǎn)基因豬器官移植到靈長類動物的臨床前實驗時代。隨著轉(zhuǎn)基因豬的不斷發(fā)展和免疫抑制方法的改進，動物異種器官移植已取得了長足的進展。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展，豬源異種器官移植面臨的主要障礙當中免疫排斥反應(yīng)和豬內(nèi)源性反轉(zhuǎn)錄病毒的潛在感染風險性問題的解決取得了很大的進步。而且最近在心臟、腎臟、胰島和角膜異種移植方面的巨大進展大大縮短了臨床試驗階段的準備。以豬為供體的異種移植研究對解決目前人體器官短缺具有重大的現(xiàn)實意義，但進入臨床階段尚有差距，尤其在急性細胞排斥反應(yīng)方面和異種移植后受體存活期等方面還有很多難題需要解決。隨著醫(yī)學科技發(fā)展，異種器官移植還有很長的路要走，還有很多必須解決的問題，但這確實是一個值得挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。而在不遠的將來，異種器官移植也將真正進入臨床應(yīng)用階段，并最終緩解供體短缺的嚴峻形勢，造福于人類。