基因工程能解決異種器官移植的重重難題嗎？
把動物器官移植給人類的想法由來已久，不過，動物器官和人體就像是型號不匹配的兩套零件，沒那么容易移植。上一次，我們講了用嵌合體技術(shù)直接讓動物長出人類器官的“邪路”，這一回，我們就來說說大多數(shù)科學家所走的“正路”——基因工程的做法，又是怎樣一番光景。
這是賽先生2017科普創(chuàng)作協(xié)同行動的第5篇文章。
撰文：唐騁（中國科學院上海神經(jīng)研究所）
審校：湯波（中國農(nóng)業(yè)大學）
從黑猩猩的心臟說起
美國醫(yī)生基斯·瑞茨瑪（Keith Reemtsma）也許可以算是將動物器官移植給人類的第一人。他認為，類似人類的靈長類動物是最合理的器官供體。為此，在上世紀六十年代他多次試圖將黑猩猩的腎臟移植給人，但其中效果最好的一例也只活了九個月。
不過，這件以現(xiàn)在眼光一看就覺得不靠譜的事，也許多少啟發(fā)了另一位名叫詹姆斯·哈迪（James Hardy）的外科醫(yī)生，后者于1964年在人類歷史上第一次心臟移植手術(shù)中，買了幾只黑猩猩作為“備用心臟供體”，但這場手術(shù)也遭到了慘烈的失敗——那顆“猩心”只在病人的胸膛中跳動了一個小時，黑猩猩的心臟被證明體積太小不足以給人使用[1]……那真是一段不把人命當回事的瘋狂歲月。
當然，現(xiàn)在我們知道，動物的器官是不可能直接給人用的。通俗點說，兩者根本就不配套。不過，對科學家來說，將不可能變成可能本就是他們的天職。那么，要想把動物的器官給人用，需要怎么做呢？
首先請回答一個問題，如何把一個小一號的螺栓擰到大一號的螺釘上？
最簡單粗暴的辦法，就是找些銼刀、砂紙，把螺釘銼銼細，把螺栓磨磨寬，然后硬套進去。與之相似，動物器官要移植給人，同樣面臨不配套的問題，而最傳統(tǒng)的解決方法也是把器官的供受雙方都捯飭捯飭，盡量讓兩者得以相容。
只不過，動物器官比螺栓復雜太多了。這一捯飭就是數(shù)十年，而前路卻依然漫漫，科學家們?nèi)沃囟肋h。
左圖：基斯·瑞茨瑪（Keith Reemtsma）；右圖：詹姆斯·哈迪（James Hardy）（圖片來源：參考文獻 [1] ）
關卡一：免疫排斥
毫無疑問，攔在異種器官移植面前的第一只攔路虎，就是免疫排斥。像人類這種免疫系統(tǒng)高度發(fā)達的物種，體內(nèi)的免疫細胞每時每刻都在警惕著一切外來入侵者。那么，免疫系統(tǒng)如何辨認對方是敵是友呢？打個簡單的比方，就是看臉。
在胚胎發(fā)育到某個階段的時候，身體會對剛形成的免疫系統(tǒng)來一次“政治審查”，把自己體內(nèi)每一種蛋白質(zhì)給大部分免疫細胞都過一遍，差不多就是告訴免疫系統(tǒng)，長這樣的就是自己人，不許下手，要是哪個免疫細胞不知好歹，居然對自己人動手動腳，都會被揪出來淘汰掉。
經(jīng)過這么一輪考核，免疫細胞們的政治覺悟就上去了，一直忠實履行著它們的職責，對于碰到的一切都要檢查一下：看到細胞表面的蛋白質(zhì)都見過，即熟面孔，便會放行，要是遇到?jīng)]見過的蛋白質(zhì)，是生面孔，多半不是外來病原體就是自家細胞中出的叛徒，統(tǒng)統(tǒng)干掉，沒有二話。
所以，科學家要想把動物器官安到人身上，首先無外乎要做兩件事：一是盡量讓免疫系統(tǒng)別那么恪盡職守，在關鍵時刻可以網(wǎng)開一面；二是設法讓動物的器官和細胞在人類免疫系統(tǒng)眼中顯得比較像自己人。
其中第一件事還算好辦，各種免疫抑制猛藥輪番上陣，多少總能壓下來。但第二件可就是十足的麻煩事了。就像是要把人整容成面貌迥異的另一個人，一步到位顯然不太可能，只能分幾個步驟，慢慢來。首先，得挑差異最大的點入手，好比說，我們平時見的自己人都是黑眼睛黑頭發(fā)黃皮膚的東亞臉，突然來了個金發(fā)碧眼的老外，那再怎么臉盲也知道不是自家的呀。同樣，細胞表面也有那么一些蛋白質(zhì)在免疫系統(tǒng)眼中有著極為顯著的辨識特征，必須是首先開刀的對象。
以現(xiàn)代的遺傳工程以及基因編輯技術(shù)來說，修改若干個蛋白堪稱毫無難度。但在這事上卻犯了難，為啥？因為作為供體的豬好搞，作為受體的人卻是萬萬沒法提供的?，F(xiàn)在畢竟不是以前那個隨便拿人做實驗的年代，如果不知道這個器官安不安全，倫理上就不能將其移植給人，但不移植，又沒法知道器官是否安全……這完全是第二十二條軍規(guī)嘛。
所以，雖然科學家自上世紀九十年代開始就已經(jīng)有相關研究，甚至連設計用來提供器官的基因修飾豬也做了不少，但這一切終究都是紙上談兵。一些科學家試圖曲線救國，比如說將這些豬的細胞提取出來，和人類的免疫細胞養(yǎng)在一塊，看看人類免疫細胞會不會攻擊之[2]。不過，這類實驗畢竟缺乏說服力，免疫細胞不攻擊的原因有無數(shù)種，通過體外實驗得到的結(jié)果，總是無法徹底排除其他可能性。
萬般無奈之下，在本世紀初，科學家們只得采用一種退而求其次的動物實驗——用狒狒代替人類作為器官受體。
狒狒（圖片來源：維基百科）
2005年，有一些科學家設法去除了豬細胞表面一個非常重要的免疫識別蛋白，并以這樣的豬作為器官供體，同時讓幾只免疫系統(tǒng)被藥物抑制的狒狒作為受體，嘗試了人類史上第一次借助于遺傳工程的異種心臟移植[3]。
結(jié)果，這些心臟在自己新主人體內(nèi)平均存活92天，命最硬的活了179天。
同年，另一批科學家則在豬細胞表面人為添加了一種屬于人類的免疫識別蛋白[4]，但是這種豬的心臟也沒好到哪去，移植到免疫抑制的狒狒體內(nèi)后平均存活96天，最高紀錄137天。
科學家們沒有死心。五年后，又有一批科學家結(jié)合了上面兩種思路，去除一種豬免疫識別蛋白的同時也加入一種人免疫識別蛋白，并將這種基因修飾豬的腎臟移植給免疫抑制的狒狒[5]。但是，結(jié)果非常慘烈，僅僅過了十幾天，不僅這些腎臟都沒活下來，連作為受體的狒狒也死得一個不剩。
屢敗屢戰(zhàn)，兩年后又有科學家試了一次，而且這一次還用上更猛的手法幾乎摧毀了狒狒全部的免疫力[6]，但是奇跡依舊沒有發(fā)生。移植的豬心臟平均存活了94天，唯一還算欣慰的是，狒狒全都沒死，而且器官存活的最高紀錄也刷新到了236天。
這類實驗在之后又嘗試了幾次，不過從結(jié)果來說全是單曲循環(huán)。十幾年來，科學家的成績一直在原地踏步。
不過，這也不能全怪科學家，因為異種器官移植實在是太難了。就目前所知，與免疫排斥相關的識別蛋白，單是被認為最關鍵的就有四五個，而不那么關鍵但也不容忽視的更是恒河沙數(shù)，靠遺傳工程技術(shù)對個別蛋白的修修改改基本屬于杯水車薪。
關卡二：人畜共患病
免疫排斥這一關已經(jīng)如此艱難，但異種器官移植所面對的困難還遠不止這一項。注意，上面所列的數(shù)據(jù)還只是器官“存活”的時間，至于這些器官有沒有發(fā)揮功能，那甚至還不屬于科學家開始考慮的問題。那么，科學家還有注意些什么別的問題嗎？有，人畜共患病。
按照加州大學洛杉磯分校教授賈雷德·戴蒙德所著的《槍炮，病菌與鋼鐵》一書中的說法，人類的幾乎所有惡性傳染病都來自于動物，其中絕大多數(shù)又源自人類飼養(yǎng)的家畜。在這方面，豬也不遑多讓，豬流感、豬丹毒、乙型腦炎等疾病都是拜豬所賜。豬由于體型與人類相似，一直都是器官供體的最佳選項，可是像器官移植這么“親密”的接觸，實在讓人有理由擔心，這會把豬身上的疾病帶給人。要是因此造成什么傳染病大爆發(fā)，那要承受風險的可就遠不止手術(shù)室里的病人和醫(yī)護人員了。
（圖片來源：flickr）
如果這些疾病來自外源性的病原體還好辦，大不了把豬祖宗十八代都養(yǎng)到無菌房里，反正這種救命的差事成本都好商量。但是還有一類潛在致病因素就不太好辦了，那便是內(nèi)源性病毒。
病毒在感染宿主以后會把自己的基因整合到宿主體內(nèi)，大多數(shù)情況下，被病毒感染的細胞會病變，然后被免疫細胞誅殺，連同細胞內(nèi)的病毒一起被清除掉。但是，在一些偶然情況下，病毒基因會深入地整合到宿主本身的基因組內(nèi)，最終達成一種穩(wěn)定的和平狀態(tài)，病毒基本不再讓受感染的細胞病變，免疫細胞也會就此放過這些病毒。
而在一些更加極端的情況下，病毒的基因進入了生殖細胞，即卵子或者精子中，這些病毒就可借助于宿主的繁殖而把自己的基因也一代代傳下去。這種事實上已經(jīng)成為宿主基因一部分的病毒，就是所謂的內(nèi)源性病毒[7]。
一般來說，內(nèi)源性病毒不會對宿主造成傷害，否則夾帶著病毒基因的個體遲早會在演化的力量下慘遭淘汰。甚至有時候病毒為了讓自己基因能更廣泛地傳播，還會反過來幫助宿主獲得更強的適應性，在這種狀態(tài)下，內(nèi)源性病毒和宿主的關系就幾乎是互利共生了。比如，哺乳動物在懷孕期間，阻止自身免疫系統(tǒng)攻擊胎兒就有內(nèi)源性病毒基因的一份功勞。地球上幾乎每一種生物體內(nèi)都有許多內(nèi)源性病毒，不同的物種所攜帶的內(nèi)源性病毒也并不相同。因此，人們也有理由相信，一種本來只存在于豬體內(nèi)的內(nèi)源性病毒如果轉(zhuǎn)移到人身上，它還會是原來的守法公民嗎？
病毒畢竟是病毒，就算金盆洗手了，也難免還保留著一些“江湖痞氣”。例如，大部分內(nèi)源性病毒都會給自己的基因留下大量副本，這本是一種逃避宿主免疫系統(tǒng)追殺和基因修復的手段，對內(nèi)源性病毒這類已經(jīng)被招安的貨色而言并不必需，但病毒的這種本性難移卻給異種器官移植帶來了無窮的麻煩。
要清除內(nèi)源性病毒，就得一次性清除掉病毒的所有副本。這些副本就像是一個個“魂器”，讓病毒成了殺不死的伏地魔，只要有一條漏網(wǎng)之魚便會前功盡棄，而傳統(tǒng)的遺傳工程技術(shù)卻很難除惡務盡。
對于伏地魔來說，只要還有一個魂器沒有毀滅，被殺多少次都會卷土重來。（圖片來源：《哈利波特與死亡圣器（下）》電影）
不過，好在隨著以CRISPR/Cas9為代表的新一代基因編輯技術(shù)的問世，這個問題迎來了轉(zhuǎn)機。2015年，一支來自哈佛大學的團隊成功利用CRISPR/Cas9技術(shù)徹底掃清了一種名叫PERVs的豬內(nèi)源性病毒[8]。如今，這支團隊已經(jīng)成立了一家公司，專攻豬器官移植的問題。希望在資本的運作下，這個領域可以取得新的突破。
總結(jié)
迄今為止，人類在此領域所取得的一切成果，距離異種器官移植最終的勝利還有極為漫長的路要走。豬內(nèi)源性病毒的種類眾多，其中許多連CRISPR/Cas9技術(shù)都難以降服，更何況在免疫排斥以及器官功能方面，人類還掙扎在近乎絕望的境地中。
必須指出的是，即便科學家能最終克服九九八十一難，在技術(shù)上修成正果，但還是要面對倫理和行業(yè)規(guī)范等重重險關。
事實上，在與異種器官移植類似但技術(shù)上簡單得多的領域，比如說將豬的白蛋白或者眼角膜供應給人，技術(shù)上都已經(jīng)快要接近實際應用了，然而考慮到倫理問題，加之各國政府遲遲不肯公布具有可操作性的行業(yè)標準，這些技術(shù)至今依然被關在實驗室里，無法踏出最關鍵的一步。
筆者以為，如果不出意外，我們這一代人應該是看不到動物器官移植給人了，甚至這個技術(shù)本身前景如何，我們也難以預料。然而，就像是運動員一次次地打破世界紀錄，從功利的角度來說，這似乎毫無意義，但正是每一次突破，給人們帶來了希望。對服務于人類整體的科學家來說，這或許也算是最大的意義了吧。
參考資料：
[1] Cooper, D. K. (2012, January). A brief history of cross-speciesorgan transplantation. In Baylor University Medical Center. Proceedings (Vol.25, No. 1, p. 49). Baylor University Medical Center.
[2] Kwiatkowski, P., Artrip, J. H.,Edwards, N. M., Lietz, K., Tugulea, S., Michler, R. E., ... & Itescu, S.(1999). High-level porcine endothelial cell expression of α (1,2)-fucosyltransferase reduces human monocyte adhesion and activation1.Transplantation, 67(2), 219-226.
[3] Yamada, K., Griesemer, A., & Okumi,M. (2005). Pigs as xenogeneic donors. Transplantation reviews, 19(3), 164-177.
[4] McGregor, C. G., Davies, W. R., Oi, K.,Teotia, S. S., Schirmer, J. M., Risdahl, J. M., ... & Logan, J. S. (2005).Cardiac xenotransplantation: recent preclinical progress with 3-month mediansurvival. The Journal of thoracic and cardiovascular surgery, 130(3), 844-e1.
[5] Lin, C. C., Ezzelarab, M., Shapiro, R.,Ekser, B., Long, C., Hara, H., ... & Dorling, A. (2010). Recipient tissuefactor expression is associated with consumptive coagulopathy in Pig‐to‐Primatekidney xenotransplantation. American Journal of Transplantation, 10(7),1556-1568.
[6] Mohiuddin, M. M., Corcoran, P. C.,Singh, A. K., Azimzadeh, A., Hoyt, R. F., Thomas, M. L., ... & Horvath, K.A. (2012). B‐Cell Depletion Extends the Survival of GTKO. hCD46Tg Pig Heart Xenografts in Baboons for up to 8 Months. American Journal of Transplantation,12(3), 763-771.
[7] Belshaw R, Pereira V, Katzourakis A,Talbot G, Paces J, Burt A, Tristem M (April 2004). "Long-term reinfection of the human genome by endogenous retroviruses". Proc Natl Acad Sci USA.101 (14): 4894–9.
[8] Yang, L., Güell, M., Niu, D., George,H., Lesha, E., Grishin, D., ... & Cortazio, R. (2015). Genome-wideinactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs). Science, 350(6264),1101-1104.
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