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异种器官移植离现实还有多远

来源:科技日报2020-08-11 11:23

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  说到猪的价值,我们多会想到它是肉食的来源,但实际上,猪的价值远不止如此。在科学家手中,猪就变成了可以进行人体器官移植、挽救脏器衰竭病人生命的科学工具。

  为促进猪在医学上更多的转化应用,今年6月,国内首个医用小型猪产学研繁育基地在四川内江国家农业科技园内落户,该基地总占地面积约100亩,一期工程约10亩已建成,包含小型猪繁育的各功能区及手术室、实验室等,是高标准的医用猪试验基地、器官供体工厂等。“经过基因编辑后,‘八戒’也将拥有如同大师兄孙悟空般的七十二变本领,将自己多个组织或器官‘变身’,为人类所用。”基地牵头单位成都中科奥格生物科技有限公司首席科学家潘登科说,该基地将致力于国内医用猪和器官移植供体基因编辑小型猪繁育、研究和应用转化的新产业领域,建立医用猪体系与标准,为器官移植和生物医学作出贡献。

  猪为什么能成为异种器官移植的首选供体?异种器官移植进入临床应用又要突破怎样的瓶颈?猪的医学化应用未来还将会有怎样的发展?科技日报记者就此进行了相关采访。

  供体短缺严重 猪被科学界公认为最理想异种供体

  治疗终末期癌症病人的脏器功能衰竭,器官移植是首选方案,但在我国,等待器官移植和获得器官移植的比例能达到30∶1,每年有几十万病人因等不到器官移植而死亡。“器官移植的瓶颈在于供体严重短缺,而目前这一问题最可行、最有效和最快速的解决途径是异种器官移植。”潘登科说,异种器官移植的优势在于器官供体来源充足,且可以批量化、工厂化生产,而同种移植的器官不仅数量紧缺,而且可能来自疾病终末期的病人,器官质量无法保证。

  那为什么选择猪作为异种器官移植的供体呢?

  “人类属灵长类动物,虽然与其它灵长类动物如猴子、猩猩等在生理解剖、新陈代谢等方面相似,但灵长类动物世代间隙长,繁殖率低,饲养成本较高,很难满足人的器官移植需求;而且多数灵长类动物在国际上属保护动物,不利于临床推广。”潘登科说,猪不仅器官大小、解剖特征、生理生化与人类非常相似,而且生长周期较短,繁殖率高,被科学界公认为异种器官移植的理想供体。

  但在民间有句俗话,叫“羊肉贴不到狗身上”,异种器官移植的难点也正是如此。“猪虽然是最理想的异种器官移植供体,但猪器官移植到人体后,会发生多种免疫排斥反应,特别是超急性排斥反应让移植器官在短时间内便丧失功能。”潘登科说,这是物种保持种系延续最天然的一种防御,即使是人类亲属之间的器官,配型都可能不成功,更何况是猪跟人。

  要让猪的器官移植到人体内,让人体愿意接受这个“外来客”,首先必须解决异种器官移植排斥反应的问题,这成为技术上的一大挑战。

  敲除关键基因 猪肾脏移植具备临床试验基础

  猪的器官与人的器官相比有什么不同?通过找到这些不同,然后剔除这些不同,是否就可以让猪的器官在人体里正常工作了呢?带着这样的思路,科学家研究发现,引起排斥反应的主要原因是人体内的天然抗体能识别出猪细胞表面的α-半乳糖苷酶(α-gal)、β-半乳糖苷酶(β-gal)和N-乙酰神经氨酸羟化酶(Neu5Gc蛋白),这3种蛋白分别由GGTA1、B4GalNT2和CMAH基因催化合成。“这是猪体内最容易引发人体免疫排斥反应的3个基因,如果把这些基因敲除,问题不就解决了吗?”潘登科说,目前研究发现,只有将上述3个基因全部敲除,猪器官移植到人体后才几乎不会有大的排斥反应,才具有进入临床试验的基础。

  近些年来,潘登科团队已经培育出无α-gal的基因敲除猪,并繁育6代以上;培育了无α-gal、β-gal的基因敲除猪;无α-gal、Neu5Gc的基因敲除猪。今年6月,研究团队通过一次性基因编辑,针对猪B4GalNT2和CMAH基因构建敲除载体,并在团队前期制备的GGTA1基因敲除猪体细胞上完成另外两个基因的敲除,然后把敲除了这些基因的细胞放入卵子里,通过电融合的方式把卵子激活,再将激活后正常发育的胚胎移植到母猪体内,让母猪受孕,直至生育出敲除掉3个基因的克隆猪。

  目前,这只经过基因修饰的猪已经75日龄,研究人员将它的细胞和人的血清融合后检测发现,该细胞异种抗原—抗体的结合和

  补体介导的免疫排斥反应显著降低,我国猪异种器官移植向临床试验迈进一大步。

  猪的器官移植到人体内如何保证安全?医学产品在进入人体临床试验前,都得在与人很接近的猴子身上进行临床前试验。“我们把器官先移植给猴子,观察记录猴子的存活时间、反应状况等,若能达到器官移植的安全性和有效性标准,才能申报临床试验。”潘登科说。

  2019年,潘登科团队把培育的无α-gal且高表达人的补体激活抑制因子CD55的猪肾脏移植到非人灵长类恒河猴体内,完全采用人体临床免疫抑制剂,恒河猴肾移植术后存活时间达到32天,达到了同等免疫方案(即使用同等的人体临床免疫抑制剂)世界上异种肾脏移植的最长存活记录。潘登科说,此次猪—猴肾移植的成功,标志着中国异种器官肾脏移植的基因改造供体猪达到国际同类研究水平。

  从农用到医用 打造未来生物材料和器官工厂

  国际上从1995年开始研究猪的异种器官移植,至今已积累了二十余年的经验。目前,猪的眼角膜、心脏瓣膜等组织工程产品已广泛应用于人体临床,猪胰岛细胞和皮肤异种移植已进入人体临床试验阶段,而猪的肾脏这种大器官的异种移植也已完成临床前试验,具备开展人体临床试验的基础。据《科学》杂志今年报道,猪的肾脏异种移植年内将进入人体临床试验。

  随着猪异种器官移植临床前试验和临床试验的逐步实现,猪在医学上的转化应用受到更多关注。内江基因编辑猪产学研协同创新基地目前拥有10余种共200多头基因修饰猪。

  “医用猪试验基地是转化医学应用非常重要的支撑环节,但之前我国在相关基地建设方面的缺失,成为制约猪转化医学应用的一个瓶颈。”潘登科说,建立医用基因编辑小型猪试验基地,就是为了利用良好的硬件和软件优势,进行基因编辑小型猪繁育及研究和应用转化,打造生物材料和器官供体的批量化生产工厂,造福更多的患者。

  “猪的农用价值众所周知,在生物医学领域,猪更浑身是宝,除了是异种器官移植的理想供体,还可以提供生物材料及制品,模拟研究人类疾病等。”潘登科介绍,随着猪的医学化应用越来越多,未来,国内还将陆续建立“医用生物材料专用猪”基地,实现可溯源猪源生物材料的国内采购;建立“超洁净级猪”基地,为各实验单位、院校提供实验用猪,为医院批量提供安全干净的器官移植供体猪;还将作为模拟人类疾病的研究模型,开展医疗器械的小型猪评价,建立药物的临床前大动物试验平台。“将猪的医用价值最大化呈现,这是一件造福全人类的事。”潘登科说。(陶玉祥 记者 盛 利)

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