移植免疫與諾獎的那些事
諾獎得主、免疫學家約瑟夫·穆雷和唐納爾·托馬斯
撰文 | 鄧彪龍
責編 | 葉水送
01
器官移植延續(xù)了很多人的生命
今年71歲的楊運勝度過了他特殊的第44個生日，為什么這么說呢？故事得從北京友誼醫(yī)院開始說起。1977年，楊運勝因為腎小球炎在北京友誼醫(yī)院第一次接受腎移植手術。2002年，由于移植腎的功能減弱，他再次接受腎移植手術并健康地存活至今。
這一例創(chuàng)造國內最長腎移植存活年限記錄的事件不僅凸顯了幾代醫(yī)護人員兢兢業(yè)業(yè)為他的健康保駕護航的精神，更展現(xiàn)出不斷成熟的腎移植手術給了許多腎病患者第二次新生機會。
移植手術是如何開展的，又經歷了怎樣的發(fā)展歷程呢？其中最具有標志性的創(chuàng)舉，是約瑟夫·穆雷（JosephE.Murray）和唐納爾·托馬斯（E.DonnallThomas）進行的抑制抗移植反應的嘗試。
1990年，經過層層篩選，諾貝爾生理學或醫(yī)學獎最終花落約瑟夫·穆雷（Joseph E.Murray）和唐納爾·托馬斯（E.Donnall Thomas），以表彰他們在“治療人類疾病的器官和細胞移植”方面的發(fā)現(xiàn)。他們將器官移植從夢想變?yōu)楝F(xiàn)實，穆雷使用全身照射和細胞毒性藥物預防移植后的排異反應，在1954年首次成功進行了腎臟移植手術。托馬斯則通過甲氨蝶呤來抑制免疫系統(tǒng)引起的移植物抗宿主反應，順利開發(fā)了骨髓移植治療白血病。
前蘇聯(lián)醫(yī)生伏羅諾伊的腎移植裝置
先說腎移植手術的發(fā)展，早在1936年，前蘇聯(lián)的醫(yī)生伏羅諾伊（Yuriy Voroniy）就成功將一位腦炎死者的腎移植給一位26歲的汞中毒的急性腎功能衰竭的病人。這是世界上首例人與人之間的腎移植手術成功案例。
不過遺憾的是，病人最終還是沒有挨過一周。隨著科學研究的不斷，我們已經知道了這一現(xiàn)象是由于異體排斥。簡單來說，就是在接受異體的器官時，自身的免疫系統(tǒng)能夠識別并攻擊異體來源的器官，造成異體來源的器官迅速衰竭失去功能，這一現(xiàn)象也被稱為異體排斥現(xiàn)象。
但是人在衰老的過程中，往往伴隨著器官的衰老和逐漸失去功能，甚至許多年輕人在身強力壯時期因為意外或者遺傳因素，某個器官早早便衰竭。因此，器官移植是一條為了挽救生命必須嘗試的道路，而在這條道路上創(chuàng)造奇跡的人之一，就是前文說的美國醫(yī)生約瑟夫·穆雷。
02
腎移植先驅——穆雷
1919年4月1日，穆雷降生在美國馬薩諸塞州一個愛爾蘭籍移民家庭。穆雷不是那種驚艷世人的天才，但是來自家庭的良好教育理念從小便幫助年幼的穆雷形成對知識的渴望和為他人服務的優(yōu)良品質。青年時期的穆雷身體素質和語言天賦極好，他癡迷于籃球、棒球、滑雪，同時除了英文，他還熟練的掌握拉丁文、希臘文，這些都源于從小培養(yǎng)起的對事物不同尋常的熱情。
但是，最讓他著迷的還是科學，對未知的震撼和驚訝使得科研成為他一生的熱愛。在高中二年級的化學課上，他第一次看到元素周期表時就深深為之興奮。所有常見、不常見的元素都整整齊齊地填充在一張表中，仿佛宇宙的秩序就靠這一張表呈現(xiàn)了出來。他感慨著前賢驚人的智慧，更義無反顧地踏上了探尋真理的道路。順應內心，他求學于哈佛醫(yī)學院，在生物、物理、化學的知識海洋里遨游。從哈佛醫(yī)學院畢業(yè)后，他又去哈佛醫(yī)學院的附屬醫(yī)院實習了一年。
1944年，穆雷應征入伍，被分派到賓夕法尼亞州的福吉谷綜合醫(yī)院工作。在這里，戰(zhàn)爭傷員中有著大量燒傷病人，許多大面積燒傷病人甚至沒有完好的皮膚可用來移植治療燒傷。穆雷跟隨著布朗醫(yī)生（上校）一起開展異體皮膚移植手術，在這過程中發(fā)生的排異反應引起了他的注意。他敏銳地發(fā)現(xiàn)，有些免疫系統(tǒng)受損的患者，排異反應會大大滯后；不同供體皮膚移植后的排異反應的程度也不盡相同。與此同時，穆雷又從布朗醫(yī)生處得知，早在數(shù)年前，布朗醫(yī)生為一對同卵雙胞胎交叉移植皮膚，結果兩人都沒有出現(xiàn)排異反應。
結合這些情況，穆雷認為對免疫系統(tǒng)的控制能夠大大提高器官移植的成功率，這個想法成了他進一步深入研究的核心思想。穆雷曾接手一位腎損傷病人手術，他根據(jù)前人經驗用尸體腎臟移植到病人身上，但結果病人卻在短短數(shù)個小時后宣告死亡。盡管器官移植的概念早已被提出，但實踐上遲遲未有令人信服的成功案例。他意識到器官移植是一個值得深入研究的工作，但這個工作的進展卻在道德倫理層面遭受很大阻力。幾個要好的同事勸他盡快放棄研究，以免損害他將來的職業(yè)生涯，甚至一些偏激的醫(yī)生認為他“真把自己當成上帝”。
然而，穆雷卻不愿意放棄自己的目標，他開始以狗作為試驗動物來探索腎臟移植排斥原理。穆雷根據(jù)早前自己對免疫系統(tǒng)的猜測，開始尋找排異反應的邊界。他在多次動物實驗之后發(fā)現(xiàn)，當血緣關系越相近，遺傳背景越相似時，排異反應便越弱。隨即他得出一個嶄新的結論，如果在同卵雙胞胎之間進行腎移植，那么病人應該可以長期存活。
讓他的新結論變成理論的一個契機便是，1954年的圣誕節(jié)前夕，醫(yī)院接收到了一對同卵雙胞胎兄弟，年僅23歲的哥哥羅納德·赫里克和弟弟理查德·赫里克。兩人在朝鮮戰(zhàn)爭時一同入伍，哥哥分派到陸軍，而弟弟則在海岸警衛(wèi)隊。隨著服役期結束，兩人一同退伍準備開始新生活，但就在這時，弟弟被檢測出了嚴重的腎炎，并且病情不斷惡化，如果再得不到有效治療很快就會死亡。但治療方法只有成功案例寥寥的腎移植，所有醫(yī)生都清楚這次手術不是行醫(yī)而更像行兇。哥哥不懂這些內情，反復懇求醫(yī)生們救救弟弟，主動提出捐獻自己的腎，還保證后果自負。
當時的醫(yī)生都在猶豫，唯獨穆雷愿意為他們手術，不僅僅是因為難得一遇的同卵雙胞胎兄弟病例可以有力證明他先前的結論，更多的是，作為一名醫(yī)生，他抱著“使更多的人活著”的想法去嘗試拯救一個鮮活的生命。隨后以穆雷為首的醫(yī)療小組先為兩人做小型植皮手術，確認了不會發(fā)生排異反應。接下來的時間，穆雷積極備戰(zhàn)手術，繼續(xù)翻看文獻確認自己的猜想，不斷構思手術的細節(jié)。
就當穆雷準備好實施手術時，道德倫理方面的阻力再次出現(xiàn)，這次手術竟演化成社會級別的問題。一部分醫(yī)生堅決反對進行器官移植，他們認為從健康人體摘取器官本就違反倫理，何況這樣移植不會給受體帶來任何好處。公眾輿論中反對這次手術的聲音居多，他們冷嘲熱諷穆雷等人是為了出風頭而不顧病人生死。
穆雷沒有反駁，他理解他們的反對，但哪個醫(yī)生愿意自己奮力救活的生命在數(shù)個小時后再度枯竭？這樣的事情是殘酷的，對患者而言是一種折磨，對醫(yī)生而言同樣殘忍。無論技術層面還是倫理層面他都理虧，他只能堅持要求，要履行一名外科醫(yī)生的本職工作。在與當?shù)仄渌t(yī)生、神職人員乃至政治代表進行長時間的爭論后，他終于拿到了最高法院簽署的特別法令，獲得批準進行手術。
此時，穆雷清楚他的這一場手術，不僅關乎人命，還包括了他的職業(yè)生涯。手術在波士頓的布里漢姆婦科醫(yī)院進行，經歷5個小時半的等待后，手術終于宣告成功。隨后養(yǎng)護觀察過程中，也沒有發(fā)現(xiàn)任何不良反應，所有人懸著的心終于放松了下來。據(jù)記載，哥哥羅納德健康地活到了79歲，而弟弟理查德也在手術后快樂地存活了8年之久，甚至在住院期間與一名護士相愛，生下了兩個可愛的孩子。不過，最終弟弟因為心血管疾病離世，而那只從哥哥那移植來的腎直至他離世還在正常工作。
穆雷也因為這次背負巨大壓力的成功手術，順利獲得了1990年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，他的成果極大的推動了器官移植領域的發(fā)展和醫(yī)學倫理建設。但他沒有因此停下探索的步伐，他深刻的意識到，腎移植的排斥反應仍然沒有解決。于是，在1959年，穆雷嘗試用放射線殺死免疫系統(tǒng)內的T細胞，成功抑制了排異反應。
隨著腎移植領域的日趨發(fā)展，到如今，全球每年大約要進行3萬多臺腎移植手術，手術可以為患者延長平均15-20年的壽命。在我國，目前仍然以尸體腎移植為主。移植腎的一年存活率都在90%以上，5年存活率在70％以上，存活時間在10年以上的也有50％。而活體之間的腎移植在國外已經很普遍了，與尸體腎移植相比，活體腎移植的腎臟功能恢復更快，存活時間也更長。
骨髓移植和腎移植或其他器官移植相比不得不面對一個截然不同挑戰(zhàn)，在骨髓移植中，因輸入的骨髓細胞內即存在著捐贈者的免疫細胞，因此一旦移植成功，除了一般器官移植所發(fā)生的宿主對植體的可能排斥外，植入的免疫細胞亦會發(fā)揮辨識功能，反而攻擊宿主的組織，而導致一種嚴重的植體對宿主反應（graft versus host disease，GVHD）。植體對宿主的反應有可能嚴重破壞皮膚及腸胃等器官。
骨髓移植是造血干細胞移植的一類，是通過大劑量放化療預處理，清除受者體內的腫瘤或異常細胞，再將自體或異體造血干細胞移植給受者，使受者重建正常造血及免疫系統(tǒng)。造血干細胞是骨髓中從卵黃囊全能間葉細胞分化來的最原始的造血細胞，它具有高度自我更新或自我復制能力，并有進一步分化為各組細胞的能力。每個干細胞都具有分化和分裂的能力，造血干細胞也不例外，造血干細胞經有絲分裂后，正常穩(wěn)定狀態(tài)下約半數(shù)子細胞仍保持干細胞的全部特性。這種自我更新能力使干細胞總容量的大小維持不變，可一直保持到正常健康機體的生命終止。
另一方面，干細胞在有絲分裂過程中，可能基因發(fā)生重排或易位，某些促進細胞分化成特定功能細胞的基因表達，使細胞特征發(fā)生改變而變成功能型細胞，例如具有運輸氧功能的紅細胞。造血干細胞移植可以治療許多疾病，比如白血病、地中海貧血癥和重癥再生障礙性貧血等?？梢哉f，骨髓移植和腎移植同是20世紀醫(yī)學巔峰的代表作。
03
骨髓移植先驅——托馬斯
唐納爾·托馬斯，1920年出生于美國德克薩斯州馬特鎮(zhèn)。同樣，唐納爾也沒擁有令人羨慕的天賦。在中學時，唐納爾學習成績并不優(yōu)異，在高中全班僅有的15名學生中，他只能排在中等甚至偏下。1937年，唐納爾考入位于奧斯丁的德克薩斯大學，主修化學和化學工程，此時的成績仍非常一般，第一學期僅得B級。
甚至，在獲得碩士學位后，托馬斯于1942年進入哈佛醫(yī)學院學習也是借助了二戰(zhàn)爆發(fā)的影響。他本來打算在德州找個學校讀醫(yī)學，沒敢想過大都市，但是當時戰(zhàn)爭逐漸白熱化，美國正在全力擴軍參戰(zhàn)，軍隊需要大量的軍醫(yī)，所以軍方和政府出錢，資助醫(yī)學生免費求學，學成再到軍隊服役的模式就出現(xiàn)了。當時他已經是陸軍預備役人員，于是嘗試申請了哈佛醫(yī)學院，沒想到竟然真的被錄取。
雖然唐納爾的求學之路顯得磕磕絆絆，但是有兩個人影響唐納爾的一生。一個是他的父親，唐納爾的父親上過大學，卻義無反顧地回到了偏遠的故鄉(xiāng)小鎮(zhèn)，當一名普普通通的鄉(xiāng)村全科醫(yī)生。那些日子教會了唐納爾打獵、釣魚，也讓他立下了治病救人之心。
另外一位是陪伴他一生的妻子多蘿西·馬丁（Dorothy Martin），他們認識不久后就相戀并于1942年結婚。為了支持唐納爾工作，婚后多蘿西放棄了新聞方面的工作，轉而進入醫(yī)學院接受實驗技術人員的培訓。從此以后，兩人開始在實驗室和辦公室一起工作，多蘿西也成為唐納爾的重要合作者和造血干細胞移植的堅定支持者。
唐納爾·托馬斯
1939年科學家們第一次在人體開展骨髓移植，他們嘗試將新鮮的供體骨髓注入受體骨髓和靜脈中，以治療再生障礙性貧血。但這種兩眼一抹黑的嘗試，自然是以失敗告終。而接下來的原子彈事件，促使人們探索如何抵御核輻射，科學家們發(fā)現(xiàn)，把異體來源的骨髓細胞注射到受輻射小鼠體內可以使小鼠的放射損傷得到一定修復，延長生存期，并且使小鼠成功耐受了移植自同一供體來源的皮膚，這暗示著骨髓移植可以修復一部分輻射造成的免疫功能損傷。
這些研究促使在哈佛醫(yī)學院求學期間的唐納爾對貧血和白血病產生了濃厚興趣。唐納爾觀察到一位患有急性淋巴細胞白血病（Acute lymphoblastic leukemia，ALL）的幼兒服用抗葉酸藥物后癥狀緩解，但治療過程中的痛苦促使唐納爾決定探索白血病治療的新方法和研究骨髓發(fā)育相關因子。
1946年，唐納爾獲得醫(yī)學博士學位。畢業(yè)后，唐納爾首先進入波士頓的彼得·本特·布利格漢姆醫(yī)院實習，重點研究血液病，接觸了器官移植領域。正是在這個時期，唐納爾大腦中萌發(fā)了一個想法：如果先用大劑量射線照射，殺滅掉血液系統(tǒng)癌癥患者體內的癌細胞，再用骨髓移植的手段恢復同時被摧毀的正常血細胞，不就能治好患者嗎？這個想法的實驗因為服兵役而不得不推遲了幾年。
1955年夏，他被紐約州庫伯斯敦的瑪麗·伊莫格尼·巴塞特醫(yī)院聘為主治醫(yī)師，為了更好地實現(xiàn)自己的想法，托馬斯決定首先以狗為研究對象進行動物實驗，選擇狗的原因是狗的體積足夠大，可方便進行外科操作和骨髓輸入。為了盡早挽救患者生命，托馬斯決定動物實驗和臨床試驗同時進行。實驗結果表明部分經過骨髓移植后的狗可正常生活，并且擁有正常壽命，因此托馬斯確信，如果能獲悉移植成功背后的機制，則人類骨髓移植也可達到同樣預期目標。
1956年底，托馬斯對一對同卵雙胞胎進行了第一次骨髓移植以治療其中一名晚期白血病患者，隨后又對5名患者進行了相同的治療。6位病人都首先進行放射性照射，然后再使用來自同卵雙胞胎骨髓進行靜脈注射，盡管注射后6位病人都沒有出現(xiàn)嚴重副作用，但遺憾的是僅有一位病人最終檢測到供體移植的骨髓，而且沒有一位病人生存期超過100天。1957年，托馬斯在《新英格蘭醫(yī)學雜志》上發(fā)表了人骨髓移植的第一篇論文，從而開啟了自己骨髓移植的研究領域。
1963年，托馬斯來到西雅圖的華盛頓大學。當時，醫(yī)學院成立不久，托馬斯在西雅圖公共衛(wèi)生醫(yī)院組建了一個小的研究小組，重點目標在于解決移植過程中的免疫排斥和GVHD問題。
20世紀60年代，在法國科學家多賽發(fā)現(xiàn)人類白細胞抗原（human leucocyte antigen, HLA）的基礎上，托馬斯研究小組在組織匹配成功的狗之間進行造血干細胞移植，結果大部分接受造血干細胞移植的狗可長期生存，這些成果極大地增加了托馬斯的信心。1967年，托馬斯開始考慮重新回到臨床研究，為了使治療效果更為理想，托馬斯組建了一個包括護理等在內的治療小組，并且獲得了美國國立癌癥研究所的資助。1969年3月，托馬斯團隊在一對配型成功但不是同卵雙胞胎的兄弟之間進行了骨髓移植以治療晚期白血病。
20世紀70年代，托馬斯小組開始了全面造血干細胞移植的臨床應用，但在實際工作中遇到一系列難題。如患者高劑量輻射只能在一家距離較遠的原軍事設施地下掩體中進行，而且輻射完畢后患者還需要用救護車迅速轉移到醫(yī)院無菌病房。
為了達到最優(yōu)治療效果，托馬斯制定了嚴格的造血干細胞移植程序：白血病患者首先接受大劑量輻射治療以同時達到殺死癌細胞和削弱免疫系統(tǒng)的目的，從而使機體減少對移植物的排斥；隨后患者獲得組織相容性配型匹配的骨髓；接下來繼續(xù)使用MTX、6-巰基嘌呤（6-mercaptopurine）和硫唑嘌呤（Azathioprine）等藥物抑制免疫系統(tǒng)。當病人出現(xiàn)移植物抗宿主情況（GVHD）時，托馬斯就將人淋巴細胞接種到馬體內以制備抗單核細胞抗體進行治療。
盡管早期大部分骨髓移植后病人死于白血病的進一步惡化或移植并發(fā)癥，但可喜的是仍有一部分病人得到緩解。在1975年時統(tǒng)計治愈率僅有12%，但隨著臨床經驗的積累和操作程序的完善，骨髓移植對白血病的治療效果也在逐步提升，甚至還有白血病患者完全痊愈，到20世紀70年代末時成功率已提升至50%。隨著大量白血病患者骨髓移植手術的成功，由內科醫(yī)生和護士組成的托馬斯小組形成了一個穩(wěn)定且集中的團體，但不久后他們就面臨一個更大的難題。
1972年，由于聯(lián)邦政府的財政原因，醫(yī)院面臨關閉的危險，為此托馬斯將實驗室搬到西雅圖弗雷德·哈金森癌癥研究中心（Fred Hutchinson Cancer ResearchCenter），托馬斯擔任醫(yī)學腫瘤學研究部第一任主任，后擔任臨床研究部主任。在這里，托馬斯開展了更大范圍的造血干細胞移植的臨床實驗。
20世紀70年代早期，骨髓移植主要在兄弟姐妹間進行。由于同代之間HLA配型成功幾率只有1/4，這種供體和受體之間的狹窄選擇大大阻礙了骨髓移植的實施。20世紀70年代后期，隨著對HLA理解的深入和抗原鑒定技術的改善，托馬斯開始考慮在非血緣關系間進行造血干細胞移植。此時一位晚期白血病患者，由于未找到合適的HLA配型親屬而遲遲無法進行造血干細胞移植，巧合的是，托馬斯研究所一位技術員恰好和該名患者的HLA配型相同并自愿捐獻骨髓。隨后移植被成功實施，盡管該患者在移植后2年復發(fā)，但至少證明非親屬間骨髓移植的可行性。
這次成功也促使托馬斯開始考慮建立全國骨髓捐獻庫的可行性，通過儲備大量正常個體的骨髓以有利于篩選到與患者HLA配型相同的骨髓。隨后，美國國家骨髓捐獻計劃確立，該計劃已收集到大約1000萬份的組織特異性供體骨髓。許多國家也先后確立了相似計劃，由于骨髓運輸簡便，建立的骨髓庫還可用于世界范圍內的配型篩選，從而大大增加了骨髓移植成功的幾率。
目前，全球大約進行了6萬多例骨髓移植。我國早在20世紀60年代便開始了同基因骨髓移植（孿生者之間），并取得成功。當前擺在我國以及全世界醫(yī)學家面前的任務是如何防止移植后復發(fā)，因為移植后失敗的原因有一半是由于復發(fā)所致，所以這也是我們未來很長一段時間內需要面對的巨大挑戰(zhàn)。目前，移植復發(fā)防治的重點研究方向包括移植前策略和移植后策略的調整與完善，前者包括新的藥物、強化預處理，后者包括移植后免疫調控、淋巴細胞回輸、干擾素、去甲基化藥物、CAR-T的應用等。
正如托馬斯自己所說：科學的進步往往不是來自重大突破，而是來自實驗室研究和臨床患者治療過程中的微小但很艱難的一點點進展，正是這些小進展在逐漸改善著人們的生活水平和身體健康。
注：感謝上海免疫學研究所李斌教授及實驗室成員對本專欄的支持。
制版編輯 | Morgan
