我是王立铭。2024年6月6日，第六十四期《巡山报告》又和你见面了。
本期报告的主题是异种器官移植，也就是将其他动物的器官移植进入人体，治疗人类疾病。
众所周知，器官移植是许多严重疾病患者最后的救命稻草。在自身器官彻底衰竭之时，来自健康捐赠者的器官也许能在生死关头挽救生命。2021年，仅在美国就进行了超过4万次器官移植，其中肾脏、心脏和肝脏移植排名前三。
基于我们很容易理解的原因，人体器官供应长期处在严重不足的状态，就在2022年3月初，美国仍有超过十万名患者正在等待合适的器官[1]。
从逻辑上讲，人体器官的充分供给就不可能得到全面解决，而利用干细胞从头开始培养人体器官至少现在还面临巨大的技术障碍。
所以，能否利用异种器官移植，也就是用来自动物的器官，来挽救人类患者的生命呢？这个问题的意义是不言而喻的。本期巡山报告，我们就来探讨一下。
过去十几年，异种器官移植需要克服的主要技术难题，就是防止排异反应的发生。相应的，这也是研究者们最重要的研究方向。
有明确手术记录的第一例异种器官移植发生在1906年，法国的杰布雷医生将一枚猪肾连接在了一位48岁患病妇女的手肘血管上，之后不久他又在另一位患者身上尝试了羊肾。到了1909年，德国的翁格尔医生又尝试了猴肾移植手术。但几位患者都在手术后很快死于致命的排异反应[2]。
在今天看来，这个结果丝毫不令人惊讶。我们已经知道，人体免疫系统能够识别和攻击一切被它认为是不属于人体自身的外来物质，从细菌病毒到癌变的细胞，自然也包括外来的器官。即便是人和人之间的器官移植也需要HLA配型合适，同时要辅以免疫抑制剂治疗，以避免严重的排异反应，更不要说不同物种之间的器官移植了。
最一锤定音的证明来自1954年。美国医生Joseph Murray在基因序列几乎完全一致、自然也就不存在排异反应的同卵双胞胎之间进行了肾脏移植手术[3]，器官接受者顺利恢复并继续生存了8年之久。
这个实验就证明了肾脏移植的主要风险确实来自于排异反应。基于这一认知，Murray医生在1962年利用药物抑制免疫反应，成功实现了无亲戚关系人类个体之间的肾脏移植，真正开启了肾脏移植这个全新的治疗领域。
同种器官移植获得成功，那异种器官移植的排异反应，是否也有解决方案呢？
就在几年前，猪来源的异种肾脏移植取得了巨大的技术突破。
你可能会好奇，世界上有这么多动物，为什么在选器官供体的时候，科学家们会选择猪呢？主要有两个原因，一个是人类有着漫长的养猪历史，对猪的饲养繁育有丰富经验；另一个是猪的体型和生理指标跟人接近。
当然，你可能会说，像猩猩和猴子这类灵长类动物，跟人不是更为接近么，为什么不用它们呢？其实，把这类动物作为器官供体，反而有一些障碍难以克服：比如说它们繁殖困难，供应问题就不好解决；再比如说，它们和人太接近，反而更容易传播疾病；还有，用它们做器官供体还可能引起动物保护主义者的强烈反对，等等等等。
因此，在过去几十年里，很多研究者们的努力都聚焦在猪的身上。
2021年9月，美国纽约大学的医生们把一颗来自猪的肾脏连接到了一位脑死亡患者的大腿血管上，证明了这颗来自其他动物的肾脏能够有效地滤过血液和产生尿液，同时，至少在50多个小时的观察窗口内，没有看到明显的急性排异反应[4]。到了2021年11月，纽约大学的医生们又重复了一次猪肾移植实验并再次取得成功[5]。
特别值得注意的是，在这两次实验中，医生们使用的猪肾都经过了特殊处理，大大降低了急性免疫反应。这些猪肾来自一家名为Revivicor的美国公司，它们利用转基因技术破坏了猪体内的一个名叫GGTA1的基因，使得猪的细胞表面缺乏一种叫作alpha-gal（alpha-半乳糖）的糖分子。
为什么破坏这个叫GGTA1的基因，能大大降低排异反应呢？
原因在于，大约2000万年前，人类和一部分灵长类动物的祖先体内的GGTA1基因出现了变异，失去了功能，所以身体内的细胞天然就没有半乳糖分子。而相应的，这些动物体内却生产了大量针对半乳糖的抗体分子，比如人体内的半乳糖抗体就占到了总抗体分子数量的1%。这个变化可能是为了帮助这些动物对抗致命微生物的入侵——因为这些微生物的表面带有半乳糖分子[6]。
但是，因为包括猪在内的绝大多数哺乳动物细胞仍然能够生产半乳糖分子，就使得人类的免疫系统对猪的细胞和器官异常敏感，一旦识别会展开猛烈的免疫攻击。有一小部分人吃肉会过敏正是因为这个原因。
那我们就知道了，如果把猪的器官直接移植入人体，那么针对半乳糖的免疫攻击会在短时间内摧毁器官和人体。这就是为什么这两次实验都要使用特殊的猪肾——破坏GGTA1基因，让猪和人一样，无法产生半乳糖——而且看起来这个方法确实起到了作用。
此外，研究者们还把猪的胸腺组织移植到了脑死亡患者体内，胸腺组织参与了T淋巴细胞的筛选和成熟，对于降低免疫排异看起来也起到了作用。[7]
2022年1月，美国阿拉巴马大学伯明翰分校的科学家们发表论文，披露了另一次猪肾移植的研究[8]。这次他们更进一步，直接把两颗猪肾移植到了脑死亡患者的体内，取代了患者本人的两颗肾脏。这再一次证明，猪肾不光能和人体循环系统连通并产生尿液，还证明它们能在人体内、该待的地方开展工作。
更重要的是，这次使用的猪肾经历了更加复杂的遗传操作：4个基因被移除了，包括三个负责生产细胞表面糖分子的基因（GGTA1、CMAH、b4GalNT2）和一个生长因子受体基因（GHR），前者仍然是为了降低猪细胞表面特殊的糖分子（包括半乳糖，Neu5Gc和Sda），避免它们被人体免疫细胞攻击，后者则是为了控制猪器官的生长速度。
与此同时，还有6个人体基因被转移进入了猪器官（DAF、CD46、TBM、EPCR、CD47、HO1），这些基因和防止人体免疫系统的过度攻击以及避免凝血反应有关。
好消息是，这些复杂的遗传操作都起效了，经过处理后的两颗猪肾在患者体内正常工作了77个小时，直到研究者们主动停止了实验。
在刚刚过去的2024年4月，中国西京医院的医生们也做了类似的尝试，他们将一枚经过基因改造的猪肾移植到了一位脑死亡患者的体内，并且很快看到肾脏开始工作、产生尿液。和上面的研究类似，这只猪肾也敲除了三个和细胞表面糖分子合成有关的基因，并转入了两个和免疫与凝血功能调节有关的人类基因[9]。
但稍有不足的是，上述这些研究都是在已经脑死亡的患者体内进行的，而并不是活生生的人。在临床实验中，这不是常规操作：在大多数时候，一种新药或者新的医疗技术进入人体，并不需要先在脑死亡患者身上做验证，有充分的动物模型研究数据往往就可以直接申请在活人身上做测试。当然，考虑到异种器官移植的复杂性和巨大潜在风险，这种谨慎本身当然不过分。
只不过，想要证明异种器官移植也能用来挽救患者的生命，还是得看到活体异种器官移植的成效才行。也就是说，把猪肾移植到活人体内，并证明它能正常工作，让患者恢复健康。
就在2024年3月21日，美国麻省总医院对外宣布，医院移植中心完成了世界上首例活体猪肾移植手术。
接受猪肾移植的是一位62岁的男性，他长期患有糖尿病、高血压和并发的肾衰竭，在接受透析7年之后得到了宝贵的肾脏捐赠。但仅仅五年之后，这枚移植来的肾脏就出现了严重问题，患者不得不恢复透析，而且健康状况快速恶化。
基于这个情况，医生们为他申请了特殊的医疗程序许可，并在2024年3月16日为他做了猪肾移植手术。
这枚猪肾来自另外一家致力于异种器官移植的公司eGenesis。这家公司成立于2015年，在2023年10月，eGenesis公司在《自然》杂志发表了一篇论文，全面展示了它们的基因改造技术[10]。
简单来说，这家公司的思路有一部分和我们刚刚提到的研究类似：它们利用CRISPR/cas9技术，敲除了3个和细胞表面糖分子合成有关的基因（GGTA1、CMAH、B4GALNT2/2L），转入了7个和免疫与凝血调节有关的人类基因（CD46、CD55、THBD、PROCR、CD47， TNFAIP3和HMOX1）。
但略有不同的是，eGenesis公司还一次性地利用CRISPR/cas9技术，敲除了猪细胞体内59个编码猪逆转录病毒（PERV）的基因位点。这些猪特有的逆转录病毒序列有点类似于灵长类动物体内的免疫缺陷病毒（HIV），它们能将自身序列插入宿主基因组并长期隐藏，在特定条件下可以重新开始活动并传播后代。
其实，至今还没有猪逆转录病毒感染人类的例子，但如果把猪器官植入人体，人们也确实会担心这些病毒一旦被重新激活感染人体细胞，会引发未知的风险。因此，eGenesis的科学家们就一次性清除掉了这些潜在的定时炸弹[11]。
在2023年发表的研究中，这些携带一共69个基因改造的猪肾在植入猴子体内后看起来工作良好，也为近期的人体移植亮了绿灯。
根据麻省总医院的官方新闻，这位创造了历史的患者在手术后恢复良好，已经于4月3日出院回家[12]。而后到了5月12日，患者去世，成功存活了接近2个月时间[13]。至此，我们可以说，尽管活体异种移植仍然面临很多未知的风险和困难，但仍然是一项了不起的成就。
当然，在进步之外，我们也必须看到，异体肾脏移植还有不少技术难题需要逐个克服。
首先，去除猪细胞表面的三种糖分子，特别是半乳糖分子，确实大大降低了急性免疫反应的强度。但显然，人体免疫系统的识别对象远不止这三个标志性的糖分子。
作为纯粹的外来者，猪肾携带的任何一个生物大分子都有可能成为人体免疫系统识别和攻击对象。也确实有研究表明，在猪肾进入灵长类动物体内之后，会引发持久和广泛的全身性免疫反应和凝血系统异常。
相应的，这些患者需要接受长期的高强度免疫抑制药物，除了传统药物例如激素和他克莫司之外，往往还需要结合各种单抗类药物（CD40/CD154抗体）[14]。
但是，长期使用这些免疫抑制药物，会导致一个显而易见的后果，那就是患者的免疫机能会被深度抑制，难以抵抗各种常见的病原微生物感染。因此，目前的猪肾基因改造看起来能够帮助猪肾在进入人体之后度过最初的、最危险的几十个小时，但患者长期的健康状态还需要更多新技术参与监控和管理。
此外，一旦异种移植进一步推进，还有一些新的技术问题会逐渐浮现出来。例如在人体内猪肾如果持续增长，可能会超出人体腹腔能够容纳的体积。这就是为什么刚刚那项来自美国阿拉巴马大学伯明翰分校的研究中，研究者们用到的猪肾还敲除了生长激素受体基因，防止猪肾持续增大。
还有，猪肾在进入人体长期工作之后，损坏的细胞如何持续修复和更新、如何和其他器官形成正常的功能联系，可能都是需要长期关注、发现和解决的问题。
当然，虽然技术难题还有很多，但无论如何，首例活体猪肾移植的部分成功，标志着猪肾异种移植已经走出了历史性的一步。
说到这，你可能自然会想到，那其他器官是否可以利用异种移植的方式呢？
实际上，和猪肾移植同步发展的还有猪心的移植。
2022年1月，美国马里兰大学的研究者们走出了一大步，他们把猪心移植给了一位还活着的人。
这位57岁的男性患者患有严重心脏病，换颗心脏已经是他唯一的指望。于是，医生们在长达9个小时的手术之后，将一颗同样接受了基因改造的猪心移植到了他的体内，取代了他原有的心脏。这位患者在手术后状态恢复得不错，也没有出现急性免疫反应，但在大约2个月之后去世。
此后，研究者们通过尸检认为，患者的死因仍然是免疫系统的攻击，以及可能的猪体内病毒的感染[15]。
咱们抛开技术细节，猪肾和猪心移植能够走在异种器官移植的潮流之先，可能也是容易理解的。
这是因为，这两个器官尽管也有丰富的功能，但主要功能是相对独立和单一的：肾脏主要的功能是滤过血液中的代谢废物（例如尿素）和过多的电解质（例如钾离子）；而心脏的主要功能是利用肌肉收缩驱动血液在血管中的流动。
也正因如此，这两个器官的主要功能已经部分能够被人类发明的机器所替代，例如血液透析机可以在体外去除血液中的有害成分，而体外人工心脏也可以部分替代心脏的泵血功能。
考虑到这些技术进步，我们自然会期待猪肾和猪心在植入人体后能正常开展工作，帮助患者恢复正常生活。也基于类似的理由，肺的异种移植也取得了不错的技术突破[16]。
但其他生物学功能更为复杂的器官，要实现异种移植的难度可能就要大得多。
一个重要的例子就是肝脏的移植。人类之间的肝脏移植已经是成熟的技术了，但肝脏的生物学功能极为复杂，不少还涉及到和其他人体器官的相互作用，例如营养物质的运输储存和代谢、重要激素的合成分泌、血液主要成分的生产、免疫功能等等，目前我们很难想象猪的肝脏也能在人体中顺利完成这些繁杂的任务。因此至少在近期内，异种肝脏移植即便成功，可能也只能作为一个临时性的手段，协助患者等待合适的人体肝源[17]。
很多人体器官的移植可能会面临类似的困难，例如大脑和免疫系统。对于这些系统来说，也许基于人体干细胞制造的人工器官会是一个更有前途的方向。
好了，这就是本期巡山报告的全部内容。
我是王立铭，下个月6号，我继续为你巡山。
[1]https://unos.org/news/2021-all-time-records-organ-transplants-deceased-donor-donation/
[2]https://www.annalsthoracicsurgery.org/article/S0003-4975(22)00071-6/fulltext
[3]https://www.mayoclinicproceedings.org/article/S0025-6196(11)62883-8/fulltext
[4]https://publichealth.nyu.edu/events-news/news/2021/11/05/breakthrough-xenotransplantation
[5]https://nyulangone.org/news/nyu-langone-health-performs-second-successful-xenotransplantation-surgery
[6]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3809700/
[7]Montgomery RA, Stern JM, Lonze BE, et al. Results of two cases of pig-to-human kidney xenotransplantation. N Engl J Med 2022;386:1889-98.
[8]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/ajt.16930
[9]https://new.qq.com/rain/a/20240405A041L400
[10]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06594-4
[11]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5813284/
[12]https://www.patriotledger.com/story/news/2024/04/06/weymouths-rick-slayman-released-from-mgh-after-pig-kidney-transplant-mass-general-hospital/73201092007/
[13]https://www.bbc.com/news/articles/c4n1l9g2wn9o
[14]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10103350/
[15]https://www.thelancet.com/journals/lancet/article/PIIS0140-6736(23)00775-4/abstract
[16]https://www.jhltonline.org/article/S1053-2498(22)01914-3/abstract
[17]https://www.nature.com/articles/d41586-024-00853-8
狗仔卡
发表于 2024-6-27 08:18 PM
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