基因编辑技术为异种器官移植带来生机

每年可生产1000个移植器官的养猪场概念图来源:联合治疗公司

苍白地躺在碎冰“床上”，这个肺看起来像屠夫柜台里的水。就在六个小时前，马里兰大学医学院的外科医生从一头强壮的成年猪身上取出了它。幸运的话，它将很快重获生命，变成鲜红色，并继续在一只6岁狒狒的胸部工作。

一名助手把肺交给了拉斯·布尔多夫和他的外科医生同事。目前，它们正伸向狒狒敞开的胸膛。后来，团队成员开始了将器官与狒狒气管连接起来并将相应的动脉和血管缝合在一起的艰难过程。然而，这项持续了5个小时、耗资5万美元的手术，只是更长实验中的一个数据点。后者涉及几十个实验室和几十年的免疫学研究和基因工程，为人类移植提供一个稳定和安全的器官来源。如果狒狒的免疫系统能够耐受替换肺，这将是该团队步入正轨的一个信号。

罗宾·皮尔森是马里兰实验室的主任。实验室已经进行了大约50次从猪到灵长类动物的移植，目的是测试猪的修饰基因和灵长类动物的免疫抑制药物的不同组合。即便如此，该小组也不允许任何灵长类动物的寿命超过几天。免疫系统的复杂性和被猪病毒感染的可能性非常可怕，因此在本世纪初将大公司赶出了这个领域。

今天，由于免疫抑制药物的改进和基因组编辑技术的进步，如CRISPR/Cas9，这一趋势可能正在逆转。这些技术使科学家能够更快、更准确地编辑导致排他性OR感染的猪基因。今年10月，波士顿生命科学公司宣布它同时编辑了猪基因组中的62个位置。

悠久的历史

至少从20世纪60年代开始，外科医生就试图将狒狒和黑猩猩的肾脏植入人体。他们几乎没有成功——病人在几个月内死亡，通常是因为免疫系统攻击和排斥移植的器官。然而，异种移植的想法仍然存在。支持者认为，这将拯救世界各地每年在等待合适的人类捐赠者时死去的数万人的生命。

20世纪90年代，当非人类器官被排除在外的细节开始浮出水面时，移植领域已经准备就绪。1993年，匹兹堡大学外科医生大卫·库珀和他的同事发现，大多数人的免疫反应都是针对单一的猪抗原:一种叫做α-1，3-半乳糖的糖分子。它位于细胞表面，可在几分钟内引起器官排斥。生产这种糖需要一种叫做α-1，3-半乳糖基转移酶的酶，敲除产生这种酶的基因应该可以缓解这种反应。

对于大型制药公司来说，这一发现和移植医学的其他发展使得上述问题似乎更容易处理。时任瑞士诺华公司移植和免疫学主管并监督异种移植的杰弗里·麦凯(Geoffrey MacKay)表示，该公司从1996年开始对异种移植研究进行大量投资。“他们不仅想缓解器官短缺，还想通过转基因猪真正解决这个问题。”目前，麦凯是通用电气的临时首席执行官。

然而，事实证明免疫系统比预期的更复杂。接受猪器官的狒狒从未活过几周，尽管研究人员可以使用药物来抑制α-gal的产生。第二个主要问题是感染的风险。即使猪能被保存在完全无菌的环境中，猪的基因组也充满了数十种潜伏的逆转录病毒。至于它们是否能在人体内变得活跃，研究结果一直是矛盾的。

在接下来的10年里，这个领域的业务变得暗淡，至少在实体器官移植方面是如此。与此同时，一些研究团队和初创企业已经开始从事猪组织移植:这是一个比使用实体器官简单得多的目标，因为免疫反应并不那么严重。第一个迹象是产生胰岛素的猪胰岛细胞，可能被移植到糖尿病患者体内。

世代游戏

然而，库珀说这个过程很慢。通常需要几代繁殖才能在猪身上敲除特定基因的两个拷贝。删除多个基因或者用人类基因替换它们需要更多的世代，因为每一代都包含具有不同修饰基因组合的猪。

这就是为什么如此多的人对像CRISPR/Cas9这样的精确的基因组编辑工具如此感兴趣。CRISPR/Cas9可以一次精确地切除猪胚胎中的两个基因拷贝。"我们花了整整三天时间才第一次从猪身上剔除α-半乳糖。"印第安纳大学的移植外科医生约瑟夫·泰克托说，“现在我们可以在150天内从零开始生产一头新的猪。”他的团队最近使用CRISPR同时敲除了猪的两个基因。目前，研究人员开始将CRISPR转化的猪器官移植给存活超过3个月的恒河猴。

明尼苏达大学的移植外科医生伯恩哈德·海林说，最终基因编辑甚至可能消除对免疫抑制的需求。他的团队正在使用CRISPR制造无需药物即可移植的猪胰岛。最早的商业小岛可能来自活细胞技术公司(LCT)开发的技术。这是一家位于新西兰奥克兰的生物技术公司，该公司设计了将猪胰岛细胞放入凝胶状“露珠”中的过程，以保护它们免受人类免疫系统的攻击。部分由于LCT在微囊化胰岛方面的成功，许多人希望胰岛细胞将成为第一个进入临床试验的转基因组织。一个非营利组织为海林饲养的猪建造了无菌设施。

技术恢复

2014年，联合技术公司和基因组测序创始人克雷格·文特尔(Craig Venter)创建的加州生物技术公司SGI达成了一项5000万美元的合作。SGI也在改造能够以不同方式逃避排斥的组织，而不是简单地剔除抗原。例如，转基因猪细胞可以产生表面受体，充当“分子海绵”，吸走人类免疫信号因子。SGI的哺乳动物合成生物学小组负责人肖恩·史蒂文斯(Sean Stevens)表示，CRISPR和其他方法也允许研究人员进行一些细微的调整，比如减少基因的表达，而不是将其完全删除。今年9月，联合治疗承诺再捐助5000万美元。

澳大利亚墨尔本圣文森特医院的免疫学家彼得·考恩使用了一种不同的方法。他的团队已经开发了针对人类免疫细胞的抗体。在他们的设计中，抗体只能由移植的干细胞产生，以确保免疫系统仅在器官附近受到抑制。

今年4月，哈佛大学韦斯研究所的生物工程师杨鲁汉和遗传学家乔治·丘奇共同创立了基因工程。麦凯说，公司计划明年开始向灵长类动物移植器官。为此，丘奇说，该公司已经开发出20多种细胞表面抗原和其他因素的基因变化的胚胎，并准备将它们移植到母猪体内。该公司首次公布的结果之一是使用CRISPR来灭活猪肾细胞中的PERV基因。研究人员后来将这些细胞的细胞核移植到猪胚胎中。

巧合的是，该领域的研究人员很少将PERV视为主要的安全问题。马萨诸塞州总医院的传染病专家杰伊·菲什曼说，这种病毒在人体组织中的复制能力很差，传播的风险实际上并不存在。他说，研究人员跟踪了几十名从无人监管的猪身上接受皮肤移植的人，发现似乎没有人患有这种疾病。

然而，应对PERV可能有监管的必要性。美国食品和药物管理局(FDA)表示，它仍然担心传染性非典型肺炎导致疾病的可能性。当然，还有其他病原体需要担心。澳大利亚国立大学的传染病专家彼得·科利侬说，大多数严重的流行病都是从动物病原体开始的，这些病原体可以“跳到”人体内。

除非异种移植被证明是非常安全的，否则美国食品和药物管理局建议将它们限制在生命受到威胁且没有其他选择的患者身上。与此同时，将转基因猪的器官推向市场将更加困难，因为监管机构必须批准用于培育动物的基因构建和器官。(宗华)

中国科学新闻(2015-117第三版国际版)

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