人面獸心？異種器官移植

張雨晨

導(dǎo)言：

2021年10月20日，美國紐約大學(xué)朗格尼醫(yī)學(xué)中心（NYU?Langone?Medical?Center）進行了一項轟動世界的手術(shù)，將一頭豬的腎臟移植到人體上，并成功維持了兩天半的活性。

兩個月后，2022年1月7日，美國馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院通報稱，該院成功將一頭轉(zhuǎn)基因豬的心臟移植到一名57歲患者體內(nèi)，首次證明動物心臟能在人體內(nèi)存活，而未立即出現(xiàn)排異現(xiàn)象。該名患者也成為全球首位移植基因改造豬心臟的人。

這些讓全世界生物學(xué)和醫(yī)學(xué)大佬們紛紛虎軀一震的異種器官移植（Xenotransplantation）試驗，為什么會有如此大的影響？今天我們就來看看這次離奇手術(shù)背后，究竟有著怎樣的科學(xué)成就。

弗蘭肯斯坦

顧名思義，異種器官移植，就是指“將來自一個物種的器官植入另一個物種的體內(nèi)”。

早在人類文明的黎明期，從埃及的荷魯斯到中國的西王母，各種源自人類想象的“半獸人”，就成了人類頂禮膜拜的“古神”。當神話發(fā)展為宗教之后，最為人熟知的“神之手”形象——天使，也逐漸將造型固定為長有一對——甚至幾對羽翼的“鳥人”。而在教廷“圣光”投下的迷信陰影中，月下變身的狼人同樣在民間百姓的口頭傳說中張牙舞爪。

到了近現(xiàn)代，科學(xué)取代宗教與神話，成為工業(yè)文明的主流“三觀”。作為“現(xiàn)代神話”的科幻小說，自然也沒有放過異種器官移植這個題材?？苹眯≌f歷史上最早的名篇，就是描繪科學(xué)家用多種動物的器官拼出“縫合怪”的《弗蘭肯斯坦》。而隨后由科幻巨匠威爾斯撰寫的《莫洛博士島》，更是將“人獸縫合”這個主題演繹到了“確立行業(yè)標準”的境界。

時至今日，隨著生物與醫(yī)學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的科幻作品依然屢見不鮮。

那么，為何人類一直盯著異種器官移植這個選題不放呢？

一方面，人類覺醒抽象認知能力后，便開始在腦中想象“現(xiàn)實中不存在之物”，從而極大擴展了思維疆域。對這一認知革命最早的證明，就是一具四萬年前的“獅頭人身”象牙雕像。而野獸在生理上的各種超人能力，也激勵著人類不斷地制造與改進工具，并以此走上了智能演化的道路。同時，人類先祖自然也會幻想與野獸進行融合，成為同時擁有人類智性與野獸體魄的“超人”。

這些上古時代的“超人”在進入文明時代后，就成了最早的神祇，并將自己的身影永遠刻進了人類文化的遺傳記憶中。

而在浪漫理想的另一面，則是一個無比實際的問題：

到目前為止，器官移植依然是很多器官衰竭類惡性疾病的最終解決方案。但人類的生存狀態(tài)，注定了器官移植的供應(yīng)者遠少于接受者。在醫(yī)學(xué)非常發(fā)達、社會思想相對開放的美國，有超過十萬患者在等待器官移植，但每年的移植手術(shù)卻只有不到四萬例。平均下來，美國每天大約有十七名患者因為等不到器官移植而死亡。

更糟的是，隨著當代人口結(jié)構(gòu)的斷崖式老化，這個缺口幾乎注定會在可預(yù)見的未來中不斷擴大。在可遇不可求的人類供應(yīng)者之外，如何尋找可以工業(yè)級批量化生產(chǎn)的代用器官，就成了醫(yī)學(xué)界的一大難題。對于很多結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜、難以被現(xiàn)有技術(shù)用設(shè)備代替的器官來說，來自其他物種的“異種器官”就成了一個非常誘人而且不得不考慮的選擇。

可望不可即

萬物同源。

演化系統(tǒng)上與人類相近的哺乳動物親戚們，在機體的生理和生化機制上，確實與人類有很多相似之處。哺乳綱內(nèi)部，很多物種間的器官不論是功能還是尺寸都大同小異。在解剖學(xué)和生理學(xué)層面，跨物種的器官移植其實并沒有看起來那么難以實現(xiàn)。

如果具體考慮器官的功能、特性與尺寸，那么與人類在演化上最為接近、同屬于“人科”的大猿們，顯然是最理想的異種器官提供者。然而，人科大型靈長類的漫長發(fā)育過程和稀少的產(chǎn)子數(shù)量，讓它們天然難以工業(yè)化大批量飼養(yǎng)。此外，這些一度占山為王的“孫行者”們，如今都已經(jīng)被人類活動搞得高度瀕危，種群數(shù)量甚至還不如本就很少的人類捐獻者。

既然求助靈長類“大師兄”的可能性已經(jīng)被人類自斷后路，那么身為“二師兄”的豬，就成了人類的下一個聚焦對象。

誠然，豬和人，一個是偶蹄目一個是靈長目，只能算是在恐龍時代就已經(jīng)祖宗分家的遠方親戚。但是，豬豬們的“豬下水”，卻在尺寸、生理指標和功能上，和人類的五臟六腑大差不差。如果把一個人類腎臟標本和一個豬腰子放在一起，估計除了專業(yè)人士，大部分人都很難一眼分出二者的所屬。此外，豬早已被人類馴化幾千年，定向育種和大規(guī)模工業(yè)化飼養(yǎng)的技術(shù)都很成熟，非常方便量產(chǎn)供體器官。

當然，把“豬下水”往人的肚子里塞，可不只是心理上需要適應(yīng)一下那么簡單。雖然在相對宏觀的尺寸和生理指標方面，豬的很多臟器都可以勝任替補人體病變器官的任務(wù)，但是在更微觀的細胞和分子層面，異種器官移植技術(shù)路線上卻遍布著難關(guān)。

首先，要保證豬的器官夠“干凈”，最起碼不能攜帶什么病原體進入人體。

然而，這第一關(guān)就曾經(jīng)讓人類被迫“卡關(guān)”：

在對豬進行深入生物學(xué)研究后，研究者們發(fā)現(xiàn)了被稱為豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）的麻煩。

什么是內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒呢？

病毒的生存之道，就是感染宿主細胞后，像一個“基因黑客”一般，把自己的基因片段插入宿主細胞的基因組中，再利用宿主細胞的資源進行自我復(fù)制，隨后感染更多細胞，如此循環(huán)。而逆轉(zhuǎn)錄病毒，就是指自身的遺傳信息是RNA，需要先通過“逆轉(zhuǎn)錄”手段將信息轉(zhuǎn)寫為DNA，然后才能“黑”進宿主細胞基因組。我們聞之色變的HIV病毒，就是這樣感染人體的。

不過在漫長的演化歷史中，有些病毒開辟了一條更加“和平”的路子。它們在將自己的基因插入宿主細胞后，就選擇“躺平”，只是等著宿主細胞分裂時順便跟著主體基因組一起復(fù)制，搭一下“順風(fēng)車”。在大部分時間里，它們僅僅是拼入宿主細胞基因組的外來代碼，很少以完整病毒顆粒的狀態(tài)出現(xiàn)。顯然，這種“佛系”生活模式對宿主細胞的危害更小，雖然欠缺快速擴散傳播的暴發(fā)性，但勝在細水長流，屬于更加穩(wěn)定的“長線投資”。

這種“放長線釣大魚”的策略發(fā)揮到極致，就是內(nèi)源性病毒成功感染了生殖細胞，并成功發(fā)育為一個成熟個體。這種情況下，組成這一個體的所有細胞都會帶有病毒的基因。倘若這一個體還能繁衍后代，那么就將形成一個攜帶有病毒基因的品系甚至物種。

在自然演化中，做到這一步的病毒就可以被稱為“內(nèi)源性病毒”，從此作為宿主物種基因組中“正統(tǒng)祖?zhèn)鳌钡囊徊糠?，與宿主們一榮俱榮一損俱損。而在人類研究者手中，通過對內(nèi)源性病毒生存之道進行模仿和利用，就誕生了將外來基因經(jīng)由病毒等載體轉(zhuǎn)入目標細胞的“轉(zhuǎn)基因”技術(shù)。

只是，在“轉(zhuǎn)基因”這件事上，有著億萬年歷史的自然演化早就捷足先登了。包括人類在內(nèi)的大量物種，全都被內(nèi)源性病毒搭了順風(fēng)車。甚至于，這些病毒有時候還會打包帶走一些上一個宿主的基因，從而實現(xiàn)基因的跨物種水平傳遞。研究表明，在人類的基因組中足足有8%左右的基因是被內(nèi)源性病毒“轉(zhuǎn)入”的，有些甚至可能發(fā)揮著關(guān)鍵作用?？梢哉f，我們?nèi)祟愖约海褪翘烊槐淮笞匀晦D(zhuǎn)入了各種外來基因的“轉(zhuǎn)基因縫合怪”。

而“二師兄”顯然也沒能幸免。和人類的情況一樣，豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（PERV）的基因也深深根植于豬的基因組中。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，這種病毒在通過器官移植進入其他實驗動物體內(nèi)后，會對接受移植的機體產(chǎn)生不同程度的損害。這個問題，在很長一段時間內(nèi)都困擾著打算開發(fā)豬器官移植領(lǐng)域的研究者。

不過，通過研究細菌對抗病毒感染的“殺毒軟件”，包括華人科學(xué)家張鋒在內(nèi)的一批科學(xué)研究者，開發(fā)出了一套高效的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)。在入手了這個“神器”后，研究者們就開始考慮用基因工程手段，對豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒來一個“以彼之道還施彼身”。

經(jīng)過一番探索后，一個以華人科學(xué)家楊璐菡為主力的哈佛大學(xué)研究團隊，在2015年鎖定了一個可以影響豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒感染其他細胞的關(guān)鍵基因。隨后，在CRISPR/Cas9技術(shù)的高效編輯下，這個在豬基因庫內(nèi)存有大量備份的病毒基因被清剿干凈。從此，這一品系的豬就擁有了移植后不會對宿主造成豬內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒感染的“干凈”器官。

不過，這只算是邁出了第一步。

長路漫漫

下一個難題：免疫排異反應(yīng)。

哪怕只是看過影視劇里的白血病“換血”橋段，我們也能知道，器官移植的最大挑戰(zhàn)就是免疫系統(tǒng)的排異反應(yīng)。在正常情況下，免疫細胞在識別出外來異物表面的抗原后，就會群起而攻之，將其消滅，履行作為機體“國防軍”的職責(zé)。但是當這個“異物”是個救命的移植器官時，免疫系統(tǒng)的攻擊也能讓移植器官在幾天甚至幾小時內(nèi)徹底喪失功能。決定免疫細胞判斷“親疏遠近”、是否“大開殺戒”的關(guān)鍵，就是外來細胞表面一些可以被免疫系統(tǒng)抗體特異性結(jié)合的特征性分子——抗原。

簡而言之，這套識別機制就是“一把鑰匙開一把鎖”，一旦抗原與抗體吻合，免疫系統(tǒng)就會開始“對號入座”，展開攻擊。只有當外來細胞表面的抗原和本體的比較接近時，才不會被免疫系統(tǒng)的抗體結(jié)合、招來殺身之禍。在器官移植過程中，對表面抗原檢測、篩選的過程，就叫“抗原配型”，我們熟悉的血型配對，就是一種只需要考慮ABO與Rh等少數(shù)幾種紅細胞表面抗原的簡單抗原配型。但是，當進入體內(nèi)的不再是單純的紅細胞，而是細胞種類繁多的整塊器官時，所涉及的配型壓力就會陡然增加，想要碰巧找到可以被免疫系統(tǒng)接受的捐獻者，簡直就是大海撈針。

當然，抗原配型問題除了等待命運垂憐之外，還可以通過各種免疫抑制劑在一定程度上主動創(chuàng)造更多機會，蒙混過關(guān)。但到了異種器官移植領(lǐng)域，由于豬和人的差異實在太大，除非徹底摧毀免疫系統(tǒng)功能，否則根本不可能僥幸過關(guān)。因此，異種器官移植的免疫排斥問題，都只能寄希望于通過基因工程手段來逐步解決。

首要解決的問題，就是超急性免疫排異。

豬的器官如果直接移植到靈長目人科動物體內(nèi)，會在幾小時甚至幾分鐘內(nèi)暴發(fā)異常迅猛的免疫排異反應(yīng)，并迅速失去功能與活性。這一難題的本質(zhì)，是由于人體內(nèi)的天然免疫球蛋白M（IgM）抗體與豬細胞表面的半乳糖-α-1，3-半乳糖（α-Gal）發(fā)生了交叉反應(yīng)，對免疫系統(tǒng)大軍進行了全面總動員。

在豬等很多生物的細胞上，α-Gal都會在α（1，3）-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下出現(xiàn)在細胞膜表面的糖脂或糖蛋白上，從而成為可以被免疫系統(tǒng)抗體識別的抗原。但人類等大多數(shù)靈長目動物的α（1，3）-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶基因，卻出現(xiàn)了源于共同祖先的移碼突變，導(dǎo)致α-Gal并不會出現(xiàn)在我們的細胞表面。同時，這種α-Gal又與一些腸道細菌的表面抗原很像。因此，人類等很多靈長目動物的免疫系統(tǒng)在識別α-Gal方面就沒有了“誤傷友軍”的后顧之憂，對表面攜帶α-Gal的細胞演化出了“見敵必殺”的兇暴策略。

不過，隨著基因工程技術(shù)的進步，人類也制造出了α（1，3）-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶同樣失靈的“半乳糖敲除（Gal?KO）豬”。在使用非人靈長類實驗動物作為“受體”的器官移植實驗上，Gal?KO豬的器官也如預(yù)測的一般表現(xiàn)良好，確實有能力避免超急性免疫排異。其中一顆豬心，甚至在接受移植的狒狒體內(nèi)穩(wěn)定跳動了945天。

然而，在人類身上的試驗卻因為倫理和風(fēng)險問題而遲遲無法推進。2021年10月這一實踐意義非凡的手術(shù)，是醫(yī)學(xué)家們好不容易找到了一位已經(jīng)腦死亡的腎病患者，并征得了患者家屬的同意以及法務(wù)咨詢專家和倫理委員會的認可后，才開始張羅準備的。手術(shù)開始后，一顆來自Gal?KO豬的腎臟被移植在患者的大腿上，并加上了一個透明防護罩，以方便研究者們觀察腎臟的活動狀況。隨著主要血管完成吻合，患者的血液開始涌入移植的豬腎。而研究者們欣喜地發(fā)現(xiàn)，這個“豬腰子”在被血液浸潤后保持著紅潤健康的色澤，并開始過濾血液中的廢物、生成尿液。隨后，在豬腎正常存活并穩(wěn)定工作了54個小時后，隨著患者本人的生命維持系統(tǒng)按預(yù)定計劃被撤除（在美國，腦死亡就是死亡標準，此時的患者原則上不應(yīng)再長時間占用寶貴的醫(yī)療資源），整個實驗以階段性的勝利而告終。

當然，這次勝利只是通向最終成果的又一小步。在α-Gal之外，還有各種其他的抗原分子會影響免疫系統(tǒng)對移植器官的排異。而免疫排異反應(yīng)，也僅僅越過了作為第一關(guān)的“超急性排異反應(yīng)”，再往后，時間跨度更久的急性以及慢性排異也是難以回避的巨大問題。因此，如果想要培育一種沒有免疫識別障礙、可以與人體免疫系統(tǒng)無縫銜接的“萬能豬”，就需要敲除所有關(guān)鍵抗原基因，甚至需要反過來轉(zhuǎn)入一些人類抗原基因，來回避自然殺傷細胞等按照“白名單”獨自活動的免疫細胞，最終讓“萬能豬”細胞表面的免疫學(xué)特征盡可能趨近于人類。

這一直都是生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)界的一大夢想。

上下求索

平心而論，這次“豬腎移植”手術(shù)從理論構(gòu)思到臨床操作都沒有什么創(chuàng)新之處，更多的是一次對已有理論和技術(shù)的初步實踐，未必有新聞熱度那樣轟動的科學(xué)地位。這次手術(shù)的主刀醫(yī)生羅伯特·蒙哥馬利（Robert?Montgomery）也不過是整個異種器官移植歷史上的一位“執(zhí)劍人”而已。

人類的科學(xué)發(fā)展，從來就不只有個別研究者在關(guān)鍵理論上的靈光一閃。在那些永載史冊的閃耀群星之外，還有無數(shù)也許注定在當前科研評價體系里一生默默無聞的研究者。也許他們每一個人的貢獻都很有限，也許有些人并不會一直從事科學(xué)研究工作，甚至可能很多人根本沒有拿到教職而只是學(xué)生或者技術(shù)員。但正是他們的日夜耕耘與扎實推進、對一個個具體問題的努力突破，才能換來我們最后看到的輝煌成就，才能讓科學(xué)的火光照耀文明、溫暖人心。

每一位曾經(jīng)努力奉獻的科研工作者，都是推動人類文明進步的英雄。

【責(zé)任編輯?：阿?吾】