本文来自微信公众号:Nature Portfolio (ID:nature-portfolio),作者:Sara Reardon,题图来自:视觉中国


2022年,外科医生首次将猪器官移植到人体内。研究人员迫切希望开展更多人体试验。


57岁的David Bennett是马里兰州的一名维修工,他患有严重的心脏衰竭,只有几周可活了。而且他有不遵守医嘱的历史,因此没有资格获得移植器官。


至少是无法获得人类捐赠的器官。


2022年1月,Bennett的医生问他是否愿意接受猪心脏移植手术。他同意了。在马里兰大学医学中心接受治疗期间,Bennett向媒体表示:“我知道这是瞎猫抓耗子,但这是我仅有的选择。”1月7日,医生将一颗经过基因改造、能被人体接受的猪心脏移植到了Bennett体内。


术后,Bennett靠着这颗新心脏存活了8周。在他去世后,研究团队发现这颗移植的猪心脏感染了一种术前检查未发现的猪疱疹病毒[1]


但对于异种移植(将动物器官移植到人体中)而言,几周的存活期已相当可观。倘若猪器官未经基因改造,人体的免疫系统在几分钟内就会产生排斥反应。考虑到这一点,其他异种移植研究人员对这次试验印象深刻。杭州启函生物科技有限公司的生物工程师和首席执行官杨璐菡说:“患者术后能生存两个月已经超出预期。我认为这是异种移植领域的一次胜利。”


2022年1月,马里兰大学医学中心的医疗团队首次将一颗猪心脏移植到活人体内。来源:马里兰大学医学院 / ZUMA<br>
2022年1月,马里兰大学医学中心的医疗团队首次将一颗猪心脏移植到活人体内。来源:马里兰大学医学院 / ZUMA


除了这例猪心移植,2022年的其他几例异种移植也十分引人注目。Bennett的手术过后几个月,两支研究团队[2,3]独立报道了首次将猪肾移植到人体的病例,接受移植的是3位丧失脑功能、法律上宣布死亡的患者。试验发现,术后猪肾能分泌尿液,且不会被人体免疫系统所排斥,甚至在术后2-3天仍然如此。6月和7月,外科医生又在脑死亡人体内实施了2例猪心脏移植手术。


许多研究人员期待,这些早期工作将很快使面向危重患者的小型异种移植临床试验大量涌现。支持者们表示,这类试验一旦成功,将为成千上万亟需供体器官的濒危患者(仅在美国就有超过10万人)带来福音。目前,研究人员正在等待美国食品和药物管理局(FDA)等监管机构对他们提交的数份申请进行评估。一位FDA发言人表示,当局对评估情况或申请是否属实等问题不予置评。


越来越多的美国研究团队希望开展与异种移植相关的正式临床试验。为此,FDA在6月召开会议,研究相关问题。此前,科学家们将猪器官或细胞——大多数是心脏、肾和胰岛素分泌细胞——移植到狒狒体内,并获得了来自数百只狒狒的数据,存活期长达3年。他们试图用这些数据来说服FDA官员,异种移植已准备好用于人体了。


研究人员认为有必要开展临床试验,以弄清什么品种的猪最适合于异种移植,以及如何确保它们未携带感染。悉尼大学的移植外科医生Wayne Hawthorne说:“我们需要更进一步,将这项技术推进到临床。”


Bennett的移植手术及其随后的死亡为异种移植带来了空前的公众关注度,但也暴露出了风险。研究人员需要谨慎行事。“一旦出问题,整个领域的发展都会受阻。”Hawthorne说。


动物来源


由于合适的人体器官严重短缺,异种移植是移植外科医生长期以来的梦想。上世纪60年代,研究人员开始在人体内测试黑猩猩和狒狒的器官并取得了有限成果,但将其作为供体动物大规模饲养并不现实。


猪则是一种更加可行的器官来源,因为它们无论是在体型还是解剖结构上都与人类更相近,而且已在农业上实现了大量饲养。猪器官在某些方面甚至可能比同等的人源器官更有优势。有了供体猪,医生就可以提前安排手术并使用新鲜器官,而无需在接到遗传相容供体的死讯后立即组织手术。


此外,外科医生可能不清楚人类供体的病史或遗传易感性。麻省总医院的传染病专家Jay Fishman说:“我们最多只有一个小时来检查供体。”如果是供体猪,“我们或许就能进行更全面的检查。”他说。


直到上世纪90年代初,猪器官都有个大问题:人体免疫系统会对其产生排斥反应。麻省总医院的移植外科医生David Cooper发现人类和其他灵长类的免疫系统主要对猪细胞表面的一种糖分子α-Gal产生反应,并提出了一种解决方案[4]。通过诱变猪细胞内编码相关蛋白的基因,阻止细胞产生α-Gal,就能显著延长猪器官在非人灵长类中的存活时间。


本世纪10年代出现的基因编辑技术CRISPR–Cas9使研究人员能更加轻松地对一系列与排斥反应相关的基因进行修改,帮助人体耐受猪器官,从而推动了异种移植的发展。一些公司正在开发具有不同基因修改的猪器官。但这些器官都还未被批准用于异种移植,而且在试验中的使用也有严格限制


Bennett的移植手术中所用的猪是由弗吉尼亚的Revivicor公司生产的,进行了10处基因修改。这家公司修改了猪的4个基因——其中一处用于确保猪器官生长至适合人体的大小,并增添了6个人类基因——其中4个用于抑制免疫反应,另外2个用于防止炎症所致的血液凝结。


其他团队的方法略有不同。例如,总部位于佛罗里达的Makana Therapeutics就只修改了3个猪基因。该公司的创始人Joe Tector表示,这些基因修改都是为了避免人体产生排斥反应,而且有充分证据表明,这些修改能延长器官在非人灵长类中的存活期。“随着基因工程的发展,DNA的增添或替换会变得更加简单可行。”他说。


慕尼黑大学的分子生物学家Eckhard Wolf也持同样的观点。“我们的总体策略是尽量简化问题。”他说。他的团队已经对新西兰迷你猪的一个野生品种做了5处基因修改,第一窝转基因猪已在9月份出生。这些迷你猪的器官大小与人类器官天然相似,因此无需进行生长限制方面的基因修改。Wolf表示,如果他的团队能将迷你猪心脏顺利移植到狒狒体内,那么负责监管药物和医疗产品的欧洲药品管理局可能会在3年内批准小型的猪心移植人体试验。


试验规划


如今人体研究刚刚起步,每种基因修改仅在非人灵长类中得到了测试和优化。而且不知为何,一些灵长类会比人体产生更多抗体攻击猪器官。研究人员不清楚哪些修改才是人体移植的关键。


尽管人与其他灵长类之间存在种种差异,但一些研究团队表示FDA仍然要求他们提供更多猪器官在非人灵长类中的数据。“就好比有一种药可能对人体有效而对猴子无效——但我们还得用猴子做试验,”Cooper说,“这毫无逻辑。”FDA并未说明特定情况需要收集多少灵长类数据,但它发布了一份指南,表示灵长类模型不足以证明猪器官在人体内的安全性。


将猪器官植入脑死亡人体则可作为一种过渡步骤。纽约大学的外科医生Robert Montgomery领导团队完成了猪肾移植手术[3],目前他正计划在脑死亡人体内开展更多移植试验,之后再去申请活人临床试验。其猪肾移植试验中所用的Revivicor猪只进行了一处与α-Gal相关的基因修改。这种猪在2020年12月获FDA批准供人食用,并用于移植以外的某些医疗用途。Montgomery担心基因修改的复杂组合会产生难以预料的影响。


生物科技公司eGenesis改造出了一种可移植到人体内的动物胰岛细胞。来源:Ken Richardson for eGenesis<br>
生物科技公司eGenesis改造出了一种可移植到人体内的动物胰岛细胞。来源:Ken Richardson for eGenesis


其他研究人员认为,要想确定人体在器官移植几个月后是否会发生排斥反应,最好是在活着的人身上试验。阿拉巴马大学伯明翰分校的移植外科医生Jayme Locke表示,用生命支持设备将脑死亡人体维持那么久可能有违伦理,她领导了另一个团队,2022年移植了一个肾脏到脑死亡人士体内。Locke正在申请FDA的批准,以利用Bennett心脏移植所用的同种Revivicor猪的肾脏开展临床试验。她的团队已就一项此类试验向联邦登记处提出了申请,不过尚未获批,也还没开始招募20位愿意接受这些肾脏的患者。


Hawthorne表示,分泌胰岛素的胰岛细胞一类的组织可能根本不会引发多少免疫反应,而且通常只需经过简单的基因修改。他的团队已改造出一种新型猪,体内缺乏α-Gal,并含有两个额外的、抑制人体免疫反应的基因,可用于生产胰岛细胞。6月,他的团队报道了5只患有糖尿病的狒狒经胰岛移植后康复[5],在不接受/服用胰岛素或免疫抑制药物的情况下存活了近2年。


Hawthorne正在设计一项针对严重1型糖尿病(会导致血糖急剧降低)患者的猪胰岛细胞临床试验。Hawthorne表示,如果他的团队能申请到经费且试验获得批准,那么试验可在一年内启动。此前,其他研究团队发现猪胰岛细胞在人体内似乎是安全的[6]


抗病猪


对这一技术,监管机构最关心的问题之一是猪传染病。目前尚不清楚其棘手程度,但感染会以数种方式造成后果。


猪感染的疾病会经移植的器官进入人体。出于这方面的担忧,中国爆发非洲猪瘟后,启函生物科技在2022年早些时候暂停了异种移植方面的研究。这促使杨璐菡与同事开始研发抗猪瘟的转基因猪。介绍其研究成果的稿件现已进入评审阶段。


再就是猪内源性逆转录病毒(PERV)——整合在猪基因组中的病毒元件。PERV不是感染上的,而是遗传而来的病毒DNA片段。它们对猪无害,但关于它们是否能从猪器官进入人细胞,以及它们是否对人体或猪器官有害,目前仍存在争议。“要想弄清楚这究竟是一个现实问题还是假设,目前还为时过早。” 杨璐菡说。


尽管如此,为查明是否有可能消除这些病毒元件的活性,杨璐菡和哈佛医学院的George Church利用CRISPR扰乱了猪基因组中所有已知的PERV:他们在猪肾细胞系中共进行了62处修改,创下了基因编辑的记录[7]


马萨诸塞州生物科技公司eGenesis的首席执行官Michael Curtis说:“人们不相信你能完成这么多处编辑并产出可用的供体。”eGenesis由Church和杨璐菡共同创立,旨在将用于异种移植的CRISPR技术商业化。eGenesis的一只猕猴移植了经数十处PERV敲除的猪肾,现已存活了将近一年。这家公司正利用其技术构建各种猪心、猪肾和猪肝脏,取决于其预定用途,这些器官经过多达80处编辑。


Fishman表示,即便是消除PERVs、预防已知的病原体感染,也无法阻止某种罕见病毒造成破坏。“猪仍然有可能带来一些未知的病原体。”他说。例如,接受猪肺移植的患者可能会感染猪特有的呼吸道病毒。


为David Bennett实施手术的马里兰大学外科团队成员正在准备移植用的猪心脏。来源:马里兰大学医学院 / ZUMA<br>
为David Bennett实施手术的马里兰大学外科团队成员正在准备移植用的猪心脏。来源:马里兰大学医学院 / ZUMA


另外,虽然Fishman说概率极低,但感染人和猪的病毒或能在人体内重组为一种新型病原体,就如同流感病毒在鸟类、蝙蝠和猪体内发生重组一样。


为将公共卫生风险降至最低,FDA建议猪器官移植仅适用于那些无其他治疗方案、术后生活质量能显著改善的患者。FDA说它有相关政策用于指导长期的患者监测,并禁止接受猪器官移植的患者献血以控制疾病传播风险。


植入Bennett体内的这颗心脏被发现携带有猪巨细胞病毒(CMV)。这种病毒属于疱疹病毒科,一般感染猪,但它是否就是Bennett的死因还有待查证。马里兰大学医学院的研究人员Muhammad Mohiuddin领导了Bennett手术的相关研究[1],他表示没有发现病毒损伤心脏的证据——而且他确定病毒没有蔓延到Bennett身体的其他部位。他怀疑是患者的疾病或(与猪病毒无关的)术后并发症破坏了患者的器官。


但Mohiuddin也还无法排除猪病毒的作用。Revivicor此前已对转基因猪进行了RNA检测,证实其体内不含CMV及其他病原体。Mohiuddin等人怀疑病毒潜伏在器官内,只有通过抗体检测才能发现。Revivicor表示已经开发出了更灵敏的CMV检测产品,但拒绝透露它筛查多少种病原体。


Mohiuddin的团队就Bennett的心脏移植手术获得了FDA的紧急批准。他正计划,一旦等到能确认以后的猪不携带病毒,可实施更多此类手术。他说,医学中心一直在向他介绍愿意接受猪器官移植的、合适的候选患者,但他都拒绝了。“在让其他人满意之前,我得先过自己这关。”他说。


试验类型


尽管心脏异种移植备受关注,但Tector说第一种进入临床试验阶段的实体器官很有可能是肾脏,因为肾移植相比于其他器官更简单。


eGenesis正在设计一种过渡步骤以试验那些更为复杂的器官。该公司希望在一年至一年半内,利用一种类似透析机的装置测试猪肝脏。eGenesis将挑选3–6位濒危的受试者,每人会临时与一个单独的猪肝相连,患者的血液将流经肝脏,以去除因肝衰竭而积累的有毒代谢物。Curtis表示公司还在研发青少年用的猪心脏,作为心脏病患儿获捐人类心脏之前的一种临时性解决方案。


在6月份的会议上,FDA官员列出了异种移植产品相关的问题,包括器官质量和如何确保其不携带病原体。


Tector说:“还有很多问题有待解答。”但他说,Makana有60–70%的狒狒接受猪肾移植后带着正常运作的肾脏存活了一年多,因此公司认为可以开始临床试验了。Makana在2022年早些时候向FDA提交了一份申请。


Fishman表示,试验开始后,最重要的是尽可能多地收集每位受试者的数据。“我们对患者有责任,也对社会有责任。”


参考文献:

1. Griffith, B. P. et al. N. Engl. J. Med. 387, 35–44 (2022).

2. Porrett, P. M. et al. Am. J. Transplant. 22, 1037–1053 (2022).

3. Montgomery, R. A. et al. N. Engl. J. Med. 386, 1889–1898 (2022).

4. Cooper, D. K., Koren, E. & Oriol, R. Immunol. Rev. 141, 31–58 (1994).

5. Hawthorne, W. J. et al. Front. Immunol. 13, 898948 (2022).

6. Gamble, A., Pepper, A. R., Bruni, A. & Shapiro, A. M. J. Islets 10, 80–94 (2018).

7. Yang, L. et al. Science 350, 1101–1104 (2015).


原文以Will pigs solve the organ crisis? The future of animal-to-human transplants标题发表在2022年12月13日《自然》的新闻特写版块上 © nature doi: 10.1038/d41586-022-03794-2


本文来自微信公众号:Nature Portfolio (ID:nature-portfolio),作者:Sara Reardon