《自然》：猪心脏在狒狒体内跳动195天 距人体试验仅一步之遥

大光

猪心脏在狒狒体内跳动195天 距人体试验仅一步之遥
来源：环球科学 Scientific American　2018年12月07日


图片：Steve Johnson & Lou Fancher
来源：环球科学 Scientific American

　　今天，《自然》期刊发表了一项轰动整个器官移植界的研究。基因改造过的猪心脏，在被同位移植到狒狒体内后，保持完整功能地跳动了195天。这预示着未来人类也能受益于此，可以解决人类器官供应短缺的棘手问题。
　　来自德国慕尼黑大学Bruno Reichart实验室的4只狒狒，在今日成为了全世界器官移植界的焦点。接受猪心脏移植后，4只狒狒的生存时间均超过了90天，其中最长的一只存活了195天，远超非人类灵长动物异种心脏移植的记录。这说明在不远的将来，人类能够利用猪作为移植器官供源，这将拯救不可计量的生命。这项研究发表在今天出版的《自然》期刊上。
　　“除了用非凡的成就来描述这项成果，我想不到其他词语。”马里兰大学的Muhammad Mohiuddin对此项实验给出了如此评价，他本身也是一名杰出的异种心脏移植专家，也为今日Reichart的成果铺垫了重要的基础。

异种移植

　　由于人体器官供应不足，许多有器官移植需求的患者往往在漫长的等待过程中就离开了世界。因此，科学家从上世纪60年代就开始尝试通过异种移植（Xenotransplantation）的方法挽救器官衰竭的病患。
　　考虑到物种亲源性，首选的器官供体就是灵长类动物。1964年，James Hardy进行了第一例人体心脏移植手术，供体心脏来自一只黑猩猩，但是病人2小时之后就去世了。Hardy把这次失败归因于黑猩猩的心脏太小，不足以支撑人体的血液循环。除此之外，拿灵长类动物当供体的问题还包括：生长周期长，成熟慢，没有专业饲养供给，并且可能导致物种间的疾病传播。


国际异种移植协会的LOGO。图片来源：A brief history of cross-species organ transplantation

　　在这种情况下，猪成为了人们的第二个选择。在解剖学结构上，猪心脏和人的很相似，并且由于物种关系相对较远，物种间传播疾病的可能性降低了很多。如果能实现猪心脏的移植，那么心脏来源将不再受限制，David Cooper在综述中将猪称作“只要有需求马上就能获得的器官来源”。
　　但是横跨在这异种器官之间的，是两个物种的免疫与病理生理学问题，猪和人在物种演化树上分道扬镳已经是8000万年前的事情了。慕尼黑大学的心脏学家Claus Hammer将猪器官移植这一举措称作“击败演化”，其中头号难题就是“半乳糖抗原”。人类的血管内皮细胞表达ABH血型抗原，而猪则表达半乳糖（GAL）α1，3的抗原。因此一旦猪器官进入人体会立即被当做入侵物引起免疫排斥。要欺骗过免疫系统，首先要获得不表达GAL的猪器官，这就要求对猪进行改造。
　　克隆技术的出现让这一想法成为了现实，人们可以开始在胚胎期对动物个体基因进行编辑。2001年，科学家培育出了缺乏半乳糖基因的猪，这种猪器官首次在狒狒和除人以外的灵长类动物体内存活超过1个月。
　　此外，研究人员发现补体对血管内皮的损伤也会导致排斥反应，通过抑制接收器官个体的补体激活，同样可以提升器官存活率。人体中最关键的补体调节蛋白包括CD46、CD55，使移植器官表达人源化的补体蛋白，同样可以降低器官移植后的超急性排异反应。因此缺乏半乳糖基因并同时表达CD46的猪成为了下一步的尝试来源。

非生命支持的心脏移植

　　从2006年开始，Mohiuddin带领美国国立卫生研究所（NIH）的团队，开始将包含这两种改造的猪心脏移植到了狒狒的腹部，来验证这种经改造的猪器官是否对人类安全。这项试验一共持续了长达10年之久，在2016年，研究者发表了一项里程碑成果。5只移植到狒狒腹部的猪心脏都打破了之前移植案例的存活时间记录，其中一个在3年之后还能保持跳动。


实验用的狒狒品种P.anubis。图片来源：Wikipedia

　　需要指出的是，这项试验并没有直接给狒狒进行心脏置换，研究者将猪心脏与狒狒腹部的血管进行了缝合连接，同时给狒狒注射免疫抑制剂以及血液稀释药，防止血栓阻塞血管。在这项试验中，非生命支持心脏移植的平均存活时间达到298天，远超此前179天的记录。“我们每一次开会，都会发表更新记录的演讲：我们首次打破了存活记录，236天、1年、2年！”Mohiuddin说。
　　心脏存活这么久之后，人们开始考虑这些狒狒是不是已经适应了移植心脏的存在，于是研究者撤下了免疫抑制剂。遗憾地是，狒狒几乎立即就出现了免疫排斥反应。尽管不是直接在两个物种之间进行心脏置换，但是Mohiuddin的研究已经展示出移植心脏在灵长动物体内存活的条件，为今天的突破奠定了意义非凡的基础。

195天搏动的奇迹

　　今日，来自德国慕尼黑大学的Bruno Reichart研究团队，在Mohiuddin的工作基础上进行了跨越式的推进：将改造的猪心脏与狒狒心脏进行置换，以此来研究异种移植心脏是否能具有功能。研究团队同样利用了经过基因，即缺失半乳糖基因并且表达人源CD46的猪心脏供源。为了防止血栓形成，Reichart让猪额外新增了血栓调节蛋白的表达。
　　研究者一共选取了14只狒狒作为器官受体，它们全部接受了免疫抑制剂注射。Reichart将它们分成了3组，第一组包括5只狒狒，它们接受的心脏从猪身上取出后，采用的是冰晶溶液保存法，使用的4℃的常规医用HTK保存液或者Bealzer‘s UW溶液：猪心脏在取下之后被放置在含有该溶液的塑料袋中，并用冰块保温。但是试验结果并不理想，移植的心脏迅速出现了功能性紊乱，并且第一组狒狒在接受移植手术后存活的时间最短只有1天，最长也只有30天。
　　第二组4只狒狒接受的猪心脏被放置在8℃含有白蛋白的含氧停搏液中，并且加入了适量营养物质、激素和红细胞。移植前猪心脏都在该系统中保持心脏灌注，以保证器官的功能完好，减少损伤。这一组的狒狒在接受移植后，心脏的生理状态要明显优于第一组。但术后检测发现，心脏相关功能的指标随时间逐渐显示出了变坏趋势。最致命的是心脏过度增殖，移植的猪心脏心室过度增大引起了坏死，并且还导致狒狒出现肝衰竭等症状，这4只狒狒都没能成功撑过40天。


第二组狒狒移植的猪心脏出现过度增殖。图片来源：文献

　　研究团队分析，猪与狒狒心脏收缩血压差距较大，这可能是心脏过度增殖的原因。第三组的狒狒接受了降血压以及抗心脏增殖治疗，在采取同第二组的心脏保存方式进行移植后，所有的狒狒都展示出良好的移植后心脏功能，并在4周后达到平稳状态，生存状态非常健康。其中一只狒狒存活时间达到了195天，Reichart对其执行了安乐死，这一结果让Reichart感到非常兴奋，“它们可以跳跃、吃饭、喝水，它们真实地存活着，” Reichart表示，“甚至还会观看喜爱的卡通动画，有花栗鼠的那种。”


研究提供的器官保存和灌流系统对人类器官移植具有重要启示。图片来源：Success for cross-speciesheart transplants

　　在过去25年的异种移植研究中，接受心脏置换的狒狒最长存活纪录只有57天，并且仅有一例成功。Reichart的这项研究被Nature的评论称赞：猪心移植的狒狒具有令人震惊的生存率。除此之外，像Mohiuddin之前的这类非生命维持的心脏移植，在三个月后会出现凝血症，心脏微血管内会出现血块并成为引起天然免疫反应的导火索。Reichart对表达血栓调节蛋白的改造，避免了这一问题的发生。并且其试验提供的器官灌注法也为目前的临床移植提供了很大的参考意义。
　　国际心肺移植学会2000年发表的临床试验推荐大纲指出，猪到人的临床移植试验开展必须符合以下标准：用于生命维持的心脏移植到灵长动物身上后，必须有60%能存活达到3个月；参与试验的动物数量至少要10只；并且存活体要显示出长期生存的可能性。Reichart的试验从某些方面上来看，已经达到了这一标准。在此之后，更多成功案例的出现可能意味着FDA会放行人体试验，目前离人类异种器官移植临床试验仅一步之遥。




存活195天狒狒的心跳

　　Reichart文献中提供了存活195天的狒狒，移植后3个月的心跳短视频，动图展示了它在狒狒体内每一次跳动的细节，随着心脏的每一次起伏搏动，异种移植的时间都在被刷新。这种持续不断的生命血脉，也预示着在未来异种移植可能在人类身上成为现实。无数因配型与供应不足而只能等待和祈祷的患者将重新获得生存的希望。“这是很难想象得到的，” Mohiuddin表示，“我们现在有了这样的一只狒狒，它带着跳动的猪心脏活着，这不是科幻小说，而是现实。”