这些猪,能解决人类器官移植危机?

生物医学
这些猪,能解决人类器官移植危机?
麻省理工科技评论 2020-02-21

2020-02-21

韩国的一个研究小组称,一旦获得政府批准,他们已准备好将猪角膜移植到人类眼中
技术 生物 动物
韩国的一个研究小组称,一旦获得政府批准,他们已准备好将猪角膜移植到人类眼中

这家农场位于德国慕尼黑市中心和国际机场之间,从市中心向北约 37 公里处。它的外观与传统的大型农场无异,但透过窗户往里看,房间里摆满了尖端的实验仪器。

农场后面有一栋较新的建筑,在这儿,芭芭拉·凯斯勒(Barbara Kessler)脱下运动鞋, 用杀菌剂洗脚、洗手。这位身材瘦高、结实的兽医脱去衣服,摘下手表、耳环,然后跨进淋浴房中。她擦洗着自己的身体和寸头,在频繁的清洗中,寸头更容易干。

洗完澡后,她从消过毒的服装里挑出适合自己的几件,穿上黑色裤子、红色衬衫和黑色拖鞋。走出更衣室,她又戴上一顶黑色针织帽,以防止短发传播病菌。之后她大步走到大厅,到换鞋室小心翼翼地穿上及膝的橡胶靴,这双靴子在每次穿完后都会被强力清洗。

所有这些预防措施,都是为了保护一种人们印象中不太干净的动物——猪。凯斯勒一打开通往猪圈的门,臭气扑面而来。

凯斯勒打开猪圈门,一只小母猪慢慢悠悠地走出来,开始东探探西探探。在非专业人士看来,不论行为还是长相,它都与普通猪无异,只是体型更小一些。

关键区别在猪的身体内部。这些猪的体内携带了四个遗传修饰,可以令其器官在移植到人体内后更容易被接纳。如果一切都按计划进行,那么猪体内那颗砰砰跳动的心脏可能有一天会在人体内跳动。

这些猪,能解决人类器官移植危机?

图|这只黑斑点小猪出生时是一个“独生子”,它的母亲奶水不足,所以它靠人工喂养;小猪需要陪伴,于是工作人员抱来另一窝的一只小猪,这些玩具能让它们不感到无聊。(来源:《麻省理工科技评论》)

多种来自基因编辑的猪体内的组织已经在人体中进行了测试。在中国,研究人员已将经过基因编辑的猪体内的胰岛细胞(产生胰岛素)移植到糖尿病患者体内。韩国的一个研究小组称,一旦获得政府批准,他们已准备好将猪角膜移植到人类眼中。在麻省总医院(MGH),研究人员在 2019 年 10 月宣布,他们已将经过基因编辑猪的皮肤临时移植到严重烧伤患者的伤口上。他们说,这种皮肤补丁与人类皮肤效果相似,而人类皮肤很难获得。

但是,对于关乎性命的器官(例如心脏和肝脏)移植,移植外科医生仍必须依靠人体器官。人们梦想,有一天,经过基因改造的猪会被手术刀切开,它们的心脏、肾脏、肺和肝脏会被迅速送到移植中心,以挽救那些奄奄一息的病人。

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图 | 在德国慕尼黑郊区,路德维希·马克西米利安斯大学的研究人员正在繁殖转基因猪,希望最终将其后代的器官用于人类移植。(来源:《麻省理工科技评论》)

小宝贝Fae之死

如今在美国,每年有 7300 人因没有合适的器官捐献者,在苦苦等待中死去,其中三分之二是因为缺乏肾脏捐献。多数情况下,唯一的希望是有人发生了悲剧——那些可以提供器官的人在意外中丧生。

最开始,外科医生将猴子视为器官来源, 因为它们是与我们最相似的动物。1984 年,一个名叫 Fae 的小女孩接受了来自狒狒的心脏移植,但 20 天后她去世了。

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(来源:Pixabay)

原因在于,这颗外来心脏遭受到 Fae 的免疫系统的攻击,发生了严重的排斥反应。Fae 获得了短暂的生命并快速死亡, 受到了全球关注。许多人谴责为了救人类的生命而杀死与我们最接近的动物。心脏病学家在《华盛顿邮报》上发表的一篇评论文章将其描述为“医学冒险主义”。《医学伦理学杂志》上的另一篇文章的标题为“ Fae 宝贝:一项艰巨的事业”。

到了 20 世纪 90 年代,科研人员和生物技术公司转而将猪器官作为首选的器官来源。由于我们食用猪肉,因此对许多人来说,移植其器官在道德上似乎说得过去。从科学角度看,猪的器官大小合适,解剖结构相似,且猪大约生长六个月就可以成年,比灵长类动物快得多。

但问题在于,猪所携带的病毒可能会传染给人们。另外,当时基因工程技术尚不成熟,移植猴子器官的测试也没有持续很久。

因此,涉及关乎性命的器官(例如心脏和肝脏)移植时,外科医师仍然必须依靠人体器官。

二十多年后的今天,基因工程的进步让异种移植又看到了希望。该领域最热门的辩论在于,究竟需要对猪进行多少基因编辑才能克服异种移植排异。美国哈佛大学遗传学家 George Church 教授与他的学生杨璐菡联合创立了美国公司 eGenesis ,它经费充足,且有先进的科研团队,该公司表示,其与在中国的一家姊妹公司共同饲养了猪,并对猪的基因进行了“两位数”的编辑。

eGenesis在中国的姊妹公司名为启函生物,杨璐菡也是这家公司的联合创立人。启函生物在 2019 年 12 月通过 bioRxiv 发表一份论文预印本,其中提到,十几头经过 CRISPR 基因编辑的小猪 3.0 成功问世,它们是迄今为止基因编辑数量最多的动物。根据研究人员对细胞的各种测试,这些小猪的器官组织特征可以满足安全、成功移植到人类体内的要求。尽管这篇论文没有经过同行评议,但这一进展迅速获得了《科学》网站的介绍,它们被认为可能是目前适合捐献器官的猪相关研究中 “全世界最好的候选者”。

相比较而言,慕尼黑基地里的德国团队研究路线极简但有效。他们所研究的猪在十多年前进行过三个关键的基因改造,都是为了防止狒狒和人类对猪器官产生排斥。敲除半乳糖基转移酶基因,可以防止器官接受者的免疫系统立即排斥其他物种的器官;第二个基因改造是增加了一个表达人类 CD46 的基因,该蛋白可以帮助免疫系统攻击外来入侵者,但不会过度反应并引起自身免疫疾病;第三个改造是引入名为血栓调节蛋白的蛋白质基因,该基因可以防止血栓,以免血栓会破坏移植的器官。

埃克哈德·沃尔夫(Eckhard Wolf)说,可以在较小数量内进行基因编辑,以便更好地控制,且更易于记录效果,他在慕尼黑郊区经营着这家前国有农场,现在改名为创新医学模式中心(the Center for Innovative Medical Models)。 如此一来,如果出现问题——异种移植中经常发生——那么就容易找出问题所在。基因编辑数量越多,那么潜在问题就越多。 他说:“在某些时候,你不知道额外的基因修饰会产生什么样的后果。”

心脏的大小

2018 年,慕尼黑中心猪的心脏被移植到 14 只狒狒体内。 其中两只狒狒存活了六个月,是到那时为止接受异种心脏移植后存活最久的动物。 同年 12 月《自然》杂志的一篇报道中,德国研究人员将他们的成就描述为“临床心脏异种移植道路上的里程碑”。

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图 | 兽医芭芭拉·凯斯勒展示该农场最小的仔猪。(来源:《麻省理工科技评论》)

在最先接受猪心脏移植的五只狒狒中,有四只在一两天内死亡,而一个月后,当第五只死亡时,它的心脏已经处于病态了。

在对下一批狒狒进行实验时,沃尔夫的合作者,也是一位退休的心脏移植外科医生布鲁诺·赖查特(Bruno Reichart)在将心脏从猪体内取出时,便把营养物质、激素和红细胞灌注其中,直到它在受体动物中完全发挥功能为止。用这种方法处理过的三只狒狒分别存活了 18 天、27 天和 40 天。

最后五只狒狒的移植程序与前面相同,但仍使用免疫抑制药物。 其中两只分别存活了 182 天和 195 天,但最后它们不得不在健康状况良好的情况下接受安乐死,因为继续进行抗排斥治疗是很有挑战性的。其一,无法在狒狒体内留置静脉输液管超过六个月;其二诱哄狒狒吃药也不是一件容易事。它们就像小孩子,拒绝喝任何闻起来像药物的东西。

赖查特表示,他正在研究一种更好的传输系统,使狒狒能够在至少在一年内使用抗排斥药物。他说,要证明异种移植已经准备好在人类身上进行,那么这个时间是必须的。

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图 | 洗完澡,洗完头发,穿上无菌衣服后,凯斯勒巡视猪圈里供科研用的猪。(来源:《麻省理工科技评论》)

但是,在进行狒狒研究的过程中,沃尔夫和赖查特注意到了一个未曾预料的问题:从幼猪体内获取的心脏要确保足够小,以令狒狒身体可以将其容纳,但是移植后的心脏还会不断成长,好像它们注定要长成猪体内的心脏大小。如他们的论文所述,移植的心脏比正常的狒狒心脏(“移植心脏过度生长”)重 62% 。 在狒狒体内,新的心脏挤压其他重要器官,并在少数情况下导致了狒狒的死亡。

在养猪场,凯斯勒展示了沃尔夫解决此问题的方法:用 CRISPR 基因编辑技术创建两只孪生母猪。 研究人员已经关闭了动物的生长激素受体(GHR)基因,使它们的重量只有普通猪的一半左右。两只猪的体重都约 79 公斤,而普通母猪在 180 公斤左右。怀孕的姐姐独自面向大厅站在猪圈围栏的边上,表露出保护小猪窝的姿态。 虽然它是由一头大型公猪育种的,但它大约有一半的后代会缺少 GHR 基因。

创建基因编辑的猪,并让其达到美国食品药品监督管局和全球其他监管机构(监管猪器官移植到人体内)所要求的标准,成本昂贵。 凯斯勒和她的同事们通过将所需的遗传物质放入猪的卵子中来克隆猪胚胎,这些卵子是从当地屠宰场收集的。

为了尽量减少细菌繁殖,每一个新的猪系都必须先在实验室的培养皿中受孕,足月后采取剖腹产,并在出生时与母亲分离。凯斯勒说,这些后代猪不需要那么多的防菌措施,而成本比养那些用于食用猪肉和培根的猪贵 10 倍。

拯救生命的代价

类似慕尼黑的这家养猪场,在世界范围内也只有少数几家。其运行成本非常高。

在这家养猪场中,生活着大约 120 只经过基因编辑的成年猪和 150 只小猪,但即使这样,也无法负担其达到符合将器官移植到人体内的标准所需的成本。沃尔夫得到的政府拨款不覆盖 HEPA 过滤器(用于清洁猪圈的空气)的费用, 也不覆盖用于辐照被卡车运进来的特殊素食饲料颗粒的花费。多年来,研究人员一直在游说政府拨款,用于建造围墙,将外界的猪及其细菌阻隔在外。

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图 | 科学家库罗马·马尤科(Kurome Mayuko)在研究猪胚胎,引入基因编辑 (来源:《麻省理工科技评论》)

赖查特说,只要有资金他就可以完成另一项试验,让接受猪心脏移植的狒狒可以存活整整一年,然后再准备对人类进行测试。

其他研究团体也在朝着目标靠近。在佛罗里达州,刚入职迈阿密大学的移植外科医师约瑟夫·特克托(Joseph Tector)说,他只需要时间来建造像沃尔夫那样的标准严格的养猪场,然后他便准备好在人体内测试移植猪的肾脏。

阿拉巴马州伯明翰大学有一个养猪场,可用于临床移植,专家们同时研究心脏和肾脏移植。他们的第一个异种移植临床试验可能在先天性心脏畸形的婴儿体内进行。猪的心脏可以充当一个过渡性支撑,让患者能等到一颗人类的心脏进行移植,这正如 Fae 宝贝所期待的那样。

赖查特说,他没想着要成为成功进行异种器官移植的第一人。但他认为,他可能会成为第一人,因为他距离目标已如此之近。经过数十年的研究,慕尼黑实验室中的猪可能是唯一允许外科医生用于进行突破物种障碍研究的猪。

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