異種器官移植：豬器官移植到人還會遠嗎？

白色碎冰上的豬肝，看上去也許和屠宰場豬肝沒有兩樣，不過這卻不是普通的豬肝，它取自一種基因修飾的小型豬，醫生將要把它移植到藏酋猴體內（一種生長于中國四川的靈長類動物）。

就在3小時前，西京醫院器官移植外科醫生從造價高昂的轉基因豬身上將豬肝摘取下來。助手將豬肝臟交給術者，經過5個小時的脾臟切除，血管吻合等十分精細的操作，藏酋猴體內的血液灌注于豬肝臟內，肝臟由土黃色逐漸變為鮮紅色，引流管內流出了金黃色的膽汁。按照設想，豬肝臟將會在藏酋猴體內存活并逐漸開始發揮功能。這個耗資近10萬元的手術僅僅是為該項研究新增了一例樣本。

這項大型研究項目是由中國科技部“973計劃”（國家重點基礎研究發展計劃）支撐的旨在利用基因工程技術探索解決人類器官來源的問題，簡單說來就是用改良的豬器官替代人類器官從而挽救患者生命。

異種移植何時能夠應用于臨床治療？課題負責人之一陶開山教授說：“大概還需要3年時間的研究和實驗，才有可能將異種移植術應用于暴發性肝衰竭臨床治療，幫助患者渡過生命危險期。而使用基因豬的肝臟永久來取代人的肝臟，則需要更多時間的探索。”

一、為何要采取異種器官移植

器官移植是20世紀醫學領域的一項重大突破，挽救了無數器官衰竭患者的生命。然而數十年以來，器官資源的短缺一直是移植手術繞不開的話題。即使在器官捐獻率較高的美國，每10分鐘就會新增一名需要進行器官移植的患者，平均每天亦有22位病人在等待器官移植中死去。可供移植的器官短缺不僅使得人們難以負擔等待過程中的治療費用，由此衍生的黑市交易也帶來了更多的社會問題。

供體來源短缺極大困擾著外科醫生，加之近年來中國取締了司法來源的器官供體，使得供體短缺的情況更加嚴重。各國政府及醫院機構采取多種途徑試圖拓寬供體來源，包括立法“腦死亡”，改進肝移植的手術方式，如劈裂式肝移植，提高供體的利用效率等等，仍然不足以改善器官短缺的狀況。供體短缺成為制約器官移植的瓶頸。

異體移植、3D打印、組織工程等都是替代同體移植的方法。3D打印技術造價比較高，而且只能打印細胞結構相對單純的器官，比如血管。而對于肝臟、心臟等內部結構復雜的器官，3D打印很難實現，組織工程器官同樣面臨功能問題。因而就人類內臟器官復雜性而言，異體移植無疑是最“靠譜”的方法。

生物學家一直致力于尋找移植用器官的替代資源，人體捐獻的器官不夠用，用其他動物的怎么樣呢？異種移植的問題由此被提出。備選方案中你可能馬上會想到非人靈長類。可惜這些人類近親們或是已經瀕危，或是器官大小與人類相距太遠。最終生物學家認為理想的器官供體應該源自一種經過長期馴化的動物，而它們的器官又恰好要與人體器官體積相似。在眾多動物中，家豬脫穎而出了。

二、異種移植的發展

1.早期探索階段

世界上第一例異種器官移植手術發生在1905年。當時，法國醫生布蘭斯多將兔腎切成薄片植入腎功能衰竭兒童體內，手術很成功。但16天后，兒童死于排斥反應引發的肺部感染。后來在狗，兔，豬等不同動物之間的研究，逐漸發現跨物種的移植存在致命性的排斥反應。由于無法控制這種排斥反應，異種移植研究由此進入冰點。

直到1960年，希欽斯和埃利昂兩位科學家分離出一種強有力的免疫抑制劑“硫唑嘌呤”，二人也由此獲得1988年的諾貝爾獎。1964年，美國Reemtsma醫生，完成第一例成功的異種腎移植（黑猩猩-人）臨床嘗試，使用免疫抑制后受體最長存活9個月。這次實驗重新燃起了醫學界對于異種移植的希望。此后陸續進行了包括異種心臟移植，異種肝臟移植等。

然而60年代后期，由于血液透析技術的發展，以及腦死亡立法在各國的通過，這使得異種移植關注度逐漸降低。70年代后期，艾滋病的發生使人們意識到種間感染的危險性，這也使得人們對于異種移植態度更為謹慎。異種移植的研究再次陷入低谷。

20世紀90年代，由于同種移植技術的不斷發展，使得供體短缺的情況日漸嚴峻。科學家將供體目標再次鎖定在豬。1993年，匹茲堡大學北美器官移植中心David Cooper和同事發現，在豬器官移植以后幾分鐘內，人類免疫系統會啟動免疫排斥反應，免疫系統攻擊對象是一種存在于豬及其他非靈長類動物細胞表面的糖α-1,3-半乳糖（α-gal）。人和非人靈長類動物體內存在針對α-gal的抗體，抗原抗體結合后在數小時內即可引發超急性排斥反應，而這正是引起器官排斥反應的啟動因素。

α-1,3-半乳糖（α-gal）苷轉移酶是產生這種糖必須的酶，理論上抑制這種酶或敲除這種酶的基因就可以避免排斥反應。受限于基因編輯技術，早期主要是通過藥物抑制α-gal的產生并在移植前吸附血液內的抗體，但是免疫系統仍有不同程度的激活，且抗體水平會隨著移植物的存活時間延長而增加。直到2003年，Revivicor公司創始人Ayares和他的同事創造了第一個敲除α-gal的克隆轉基因豬（GTKO豬），異種移植進入一個嶄新的發展階段。

2.GTKO豬：異種移植新的里程碑

隨著GTKO豬的問世，移植界對于異種器官移植的熱情迅速被點燃。目前美國，中國，日本，韓國和澳大利亞等均已有異種移植的工作團隊。異種移植領域的紀錄一次又一次被刷新。至今異種心臟移植的受體存活時間已達945天（美國，麻省總院），異種肝臟移植受體存活時間則相對較短（14天，中國，西京醫院和28天，美國，麻省總院）。相對于實體器官移植，異種細胞和組織移植的存活時間明顯較長，主要是由于異種細胞和組織缺乏血管，免疫排斥反應較輕。2012年，匹茲堡Starzl 移植研究所的David Cooper等人在Lancet 上撰文，并預言“異種移植將會是下一場醫學革命”。

三、異種移植面臨的問題

雖然借助于基因修飾技術，異種移植取得了巨大的進步，但是若要將其應用于臨床，目前看來仍然面臨諸多亟待解決的問題。

1.供體選擇的問題

雖然非人靈長類動物與人類的親緣關系更為靠近，但是由于非人靈長類動物每胎產仔少，成熟周期長，數量有限，不能滿足大量的研究和移植需求。相比之下，豬的生長周期短，易于飼養繁殖和進行基因改造，降低了研究成本。豬的器官在大小、結構等解剖學指標和生理學指標上，也與人體的器官大體接近。所以，選擇豬用于異種器官移植，已成為國際上的共識。

2. 排斥反應

豬-人的異種移植面臨超急性排斥、急性排斥以及慢性排斥的問題。

（1）超急性排斥反應（HAR）由靈長類動物體內預存的天然抗體與豬內皮細胞表面α-1,3-Gal抗原結合，導致血栓形成。2003年，美國Ayares研究團隊培育出α-1, 3-半乳糖苷轉移酶基因敲除豬（GTKO豬），基本上解決了超急性排斥反應。

（2）急性排斥反應（AR）主要是由靈長類動物體內的免疫細胞攻擊植物引起的排斥反應，而目前的研究表明在異種移植中急性排斥主要是以補體介導的細胞毒作用和巨噬細胞、NK細胞介導的固有免疫為主，這與同種移植過程中急性排斥中以T淋巴細胞和B淋巴細胞為主要效應細胞的反應模式并不相同。固有免疫是機體在種系發生和進化過程中逐漸形成的一種天然免疫防御功能，具有識別廣泛抗原的能力。異種抗原的刺激是導致固有免疫系統激活的主要原因。

目前由于轉基因技術的發展，可以對GTKO豬進行人源化的基因修飾，如轉人源CD55，CD46等補體調節蛋白，轉人源CTLA4Ig或 LEA29Y、PD-L1 等免疫調節基因，抑制T細胞反應，轉人源CD47、HLA-G 或 HLA-E，抑制NK和巨噬細胞的固有免疫反應，目前已經可以制備同時含有6個基因修飾的GTKO豬。

（3）慢性排斥反應（CR）主要是以T細胞介導的細胞排斥為主，哈佛大學王日健教授研發的抗CD40抗體2C-10能顯著延長異種心臟存活時間，使得異種心臟移植延長至945天。此外日本中內啟光教授課題組利用IPS細胞結合嵌合胚胎技術試圖在豬體內培養出人體器官，目前該課題組已經成功在豬體內制備出不同基因型的豬胰腺臟器。

轉人源CD47基因修飾豬

3.凝血機制的改變

異種移植后，會明顯觸發機體的凝血機制導致凝血功能異常。而這一點在異種肝臟移植中表現的尤為突出，在移植的早期，受體體內的血小板數量呈現出明顯下降。血小板是機體凝血系統的“衛兵”，一旦低于限值，機體就會出現不可控的出血。因而血小板的減少及凝血功能的失調，成為制約異種肝臟移植的桎梏。目前有研究團隊通過轉入人源化的凝血調節分子以及敲除ASGR1（一種介導血小板吞噬分子受體）以糾正異種移植后的凝血紊亂。

4.生物安全性

在異種移植中，跨物種的生物安全問題一直引人注意。眾所周知，很多人類病原體都來源于動物，例如HIV來源于狒狒， SARS來源于果子貍，而令人聞之色變的埃博拉病毒則來源于果蝠。通常認為，種屬上與人越接近的物種，其所攜帶的病原體就越容易感染人類。以豬為供體的異種移植是否存在種屬交叉感染的風險，仍無定論。

目前的研究確定了26種存在種間交叉感染風險的病原體。其中，細菌和部分病毒可以通過培育SPF的豬來解決。目前關注最多的是豬逆轉錄病毒（PERV）。豬逆轉錄病毒又分為A型、B型和C型。雖然在異種胰島移植的臨床觀察中并未發現PERV的感染，但是由于體外實驗中證實PERV可以從豬的細胞中轉入人體細胞，并整合至人類基因中，因此存在一定的風險。

要消滅PERV，可以針對它的一個關鍵基因pol。這個基因編碼是一種逆轉錄酶，讓病毒能夠整合到其他物種的基因組里。而這個狡猾的基因在豬的腎上皮細胞里，足足留了62套備份。要挨個消滅它們，太麻煩了。生物技術的發展再次讓這個難題迎刃而解，2015年10月，楊璐菡博士利用一種新的基因編輯技術-CRISPR/Cas9 一次性的敲除了隱藏著豬基因組中的62個PERV片段，體外實驗驗證病毒的感染率被削弱了近1000倍，該結果發表在《Science》雜志。異種移植的臨床應用只差臨門一腳。

生物安全性

科學雜志報道：利用CRISPR/Cas9編輯豬PERVs

5.倫理爭議

目前因文化傳統、宗教信仰、價值觀念的不同對異種移植移植存在爭論。2013年在德國慕尼黑召開了關于異種移植倫理探討的會議。會議中各個宗教各自闡述了對異種移植的看法，其中猶太教核心教義是人的生命高于一切宗教制約，在病危情況下，應該而且必須接受移植；基督教倫理認為，只要遵守道德規定，不虐待動物就可進行異種研究。可允許病人因治療疾病的目的而接受異種動物器官；伊斯蘭教認為，人是在生物鏈的頂端，人身天授，人有義務去保護好自己的健康。因此，伊斯蘭教的觀點中用異種移植進行治療是可行的。因此只要在人權和自主權不被影響的條件下，有責任地對待動物而不是簡單的將其當做工具，宗教倫理是不會禁止異種移植的。

異種肝臟移植：治療臨床爆發性肝衰的極具潛力的手段

肝臟是身體內以代謝功能為主的器官，并在身體里面扮演著去毒素，儲存糖原(肝糖)，分泌性蛋白質合成等等功能。目前仍無十分有效的體外人工肝臟用以替代肝臟的功能，因此在當前先進的輔助技術支持下，人可以“一日無心”，“一日無腎”但卻不能“一日無肝”。

臨床上有一類患者，由于藥物或是病毒感染導致肝臟短期內失去功能，稱之為“爆發性肝衰”患者。這類患者的肝臟尚具有再生和修復的能力，僅僅需要在短期內輔助移植部分肝臟，用以維持肝臟的功能，即可使得患者度過危險期。但是由于供體的短缺，無法滿足爆發性肝衰患者迫切的肝移植需要，使得爆發性肝衰的死亡率極高。

以竇科峰、陶開山為主的研究團隊創造性使用GTKO豬—藏酋猴進行異種肝臟進行脾窩異位輔助性肝臟移植，旨在解決此問題。

在經過仔細對比和分析，最終課題組選擇了藏酋猴作為移植受體，該靈長類動物的生理指標與人類極為接近，且體型較大，適合移植。應用該術式，課題組成功完成了4例GTKO豬-藏酋猴的異種肝臟移植試驗，最長存活時間達到了14天（2013年），在當時為異種肝臟移植最長存活紀錄。

正如文章開頭所寫，新的肝臟移植入藏酋猴體內，逐漸發揮了功能。通過生理生化指標的檢測，藏酋猴體內開始出現豬源性的白蛋白及凝血因子，膽汁的持續流出同樣證實了肝臟的合成功能開始恢復。通過CT影像學檢測的方法，對新肝臟的體積進行了評估，評估結果表明，新肝臟的體積在術后出現了增大，這說明豬肝臟在藏酋猴體內出現了再生和修復。利用該模型課題組先后探討了異種肝臟移植后凝血機制紊亂的機理和主要組織相容性抗原復合物MHC分子的不匹配問題在異種移植排斥中的作用，極大的推動了異種肝臟移植的發展。

道路依舊是曲折的，相較于其他臟器的異種移植，異種肝臟移植的存活時間仍然十分短，諸多難題尚待克服。然而前途卻是光明的，異種肝臟移植一旦應用于臨床，將會是肝臟衰竭患者的福音。正如肝移植之父Thomas E. Starzl所言：“任何技術在昨天看來可能是不可思議的，今天看來也僅僅是能勉強做到的，但是明天也許就會成為一種常規手段。”

出品：科普中國

制作：中國細胞生物學學會西京醫院肝膽外科

監制：中國科學院計算機網絡信息中心