Science揭示異源移植的可能性

iNature：全球腎、心、肝移植的數量達到70萬例次左右，器官移植已經成為常規性的醫療，隨之而來的問題是移植所需的器官供不應求，為了有效解決人體器官來源極度匱乏的問題，世界各國基本都有器官捐獻及移植立法。但即使是這樣，器官的缺口數還是非常的大，保守估計，有將近70%的人是得不到供體進行移植。很幸運，這一期，楊璐菡研究組在Science發文揭示，異源移植將成為可能（視頻）。這一次成果一報道，全世界都為之瘋狂，世界各地媒體爭相報道，中國的媒體也不例外。楊璐菡的科研成果，也為後續的異源移植提供了基礎，為人類器官移植過程中的器官來源順利的解決。

器官移植現在已經成為比較成熟的醫療技術，但是器官的來源移植限制一直成為其主要難題。為了有效解決人體器官來源極度匱乏的問題，世界各國基本都有器官捐獻及移植立法，但即使是這樣，器官供體還是遠遠少於所需求的。故科學家轉向了第三條途徑，即異種器官移植。由於豬與人的結構很相像（基因組高度同源），器官大小及生理學高度相似，而且養殖周期短，成本低，大量的後代，故對於異種移植，首選的就是豬。

視頻：豬器官移植給人類

異種移植，就是把組織從一個物種移植到另一個不同的物種，通過發展異種移植有助於緩解「人體組織缺乏。要實現異種移植這種技術在人身上應用，至少要有三個難題：免疫排斥，生理不兼容性和動物傳染病風險。除了可以發生眾所周知的免疫排斥形式之外，同種異體移植（在同一物種之間移植非遺傳上相同的材料），當使用豬細胞和器官時，觀察到新的形式：超急性排斥反應（HAR）。

圖.1：轉基因豬

這是因為預先在人類存在的抗體可以識別豬細胞及細菌表面上的糖分子（但不是人細胞），這些抗體就會在幾分鐘內使移植失敗。為了阻止免疫排斥作用（包括HAR），遺傳修飾的豬已經產生了，這種豬缺乏那些糖類的酶，但同時可以表達人類的蛋白質，這樣做就可以預防免疫排斥行為（圖.1）【1-4】。

許多豬微生物，包括病毒，廣泛分布在豬群體里，可能通過豬細胞，組織和器官移植進行傳播。 目前還不清楚，為什麼病毒可以感染人類誘發人畜共患病，雖然人畜共患病病毒戊型肝炎病毒基因型3（HEV-3）是眾所周知的。 HEV-3傳播是通過肉沒有被煮熟或者是直接通過接觸豬，至少在免疫抑制個體和那些事先存在的肝衰竭患者，這可能導致慢性感染和疾病【5】。微生物感染，如人類器官移植後，可以觀察到巨大病毒（HCMV）的感染【6】。 如果未經治療，HCMV感染的病毒就會迅速誘導發生免疫排斥，使移植失敗。同樣，異種移植也會出現這樣的情況【7】。

以上每種病毒都可以消除，來自使用各種策略的豬捐贈者，如早期斷奶和初乳剝奪（防止病毒通過母豬的牛奶傳播），用抗病毒藥物治療，藥物，疫苗，剖宮產。但是，HEV-3的情況就不太一樣，這種病毒被整合到豬的基因組裡面，以上使用的方法很難湊效，豬內源性逆轉錄病毒（PERVs）也出現類似的情況。 確實，現在已經發現了種質性逆轉錄病毒在所有哺乳動物，包括人類【8】。不同種群的豬都含有PERV（3?140份拷貝每個細胞），尤其是PERV-A和PERV-B，在所有的豬都存在，並且能夠從許多其他物種去感染異源細胞（包括人類細胞）。相反，PERV-C不是普遍存在，只能感染豬細胞【9】。

圖.2實驗流程圖

許多策略已經開發，以防止PERV異種移植時傳播，包括PERV特異性疫苗和轉基因豬（PERV特異性小干擾RNA，抑制其病毒的表達）【9】。 一些抗逆轉錄病毒藥物，特別是已經使用的整合酶抑製劑成功地治療艾滋病毒感染，也被證明可以抑制PERV傳播【10】。 唯一有效滅活PERV的方法是基因組編輯，使病毒不能再進行傳播。 怎麼樣靶向100多份PERVs基因組，這成為了基因編輯的一個難點，而且是異常的困難。第一次嘗試用基因編輯的方法是TALEN技術【11】，但是使用這種方法的副作用特別的大，故效果很有限。然而，最近的CRISPR/Cas9技術使在細胞培養階段，可以同時使62個PERVs同時失活，這最先在楊璐菡課題組實現了【12】。現在還是在同一個小組，楊璐菡組先使原代細胞中所有PERV都失活，然後使用這些細胞產生活，健康，基因修飾的豬【1】（圖.3）。

圖.3 在基因組範圍內失活PERVs

還有一個有趣的信息，從楊璐菡課題組獲悉：在眾多物種，包括人類，內源性逆轉錄病毒的蛋白質在胎盤生成中的發揮作用【13】。 這些蛋白質可能有免疫抑制屬性【14】。實際上，遺傳修飾的豬健康的出生了，這說明逆轉錄酶的失活並不會影響被摸蛋白的功能。

延伸閱讀

http://www.sciencemag.org/news/2017/09/scientists-grow-bullish-pig-human-transplants

http://science.sciencemag.org/content/357/6357/1303/tab-pdf

http://science.sciencemag.org/content/357/6357/1238

通訊作者簡介

楊璐菡

楊璐菡，女，哈佛大學和eGenesis異種器官移植課題帶頭人。2017年3月入選入選世界經濟論壇(World Economic Forum)評出的2017年度"全球青年領袖"。

楊璐菡在北京大學本科畢業後，前往哈佛大學攻讀碩士學位，畢業後曾任哈佛大學助教、波士頓諮詢集團夏季顧問，現在哈佛大學從事博士後研究工作。

楊璐菡和她在哈佛的博士生導師、美國科學院及工程學院雙料院士喬治·丘奇創立了一家叫eGenesis的生物技術公司，致力於推動異種器官移植臨床應用。從2014年起，楊璐菡做為異種器官移植課題帶頭人，帶領10個人的科研團隊在哈佛和eGenesis利用新發明的一種叫做CRISPR-Cas9的"基因剪刀"技術，敲除豬基因組中可能的致病基因。

參考文獻

1. D. Niu et al., Science 357, 1303 (2017).

2. H. Niemann, B. Petersen, Transgenic Res. 25, 361 (2016).

3. N. Klymiuk et al., Mol. Reprod. Dev. 77, 209 (2010).

4. D. K. Cooper et al., Transplantation 84, 1 (2007).

5. J. Denner, Xenotransplantation 22, 167 (2015).

6. J. A. Fishman, Am. J. Transplant. 17, 856 (2017).

7. J. Denner, Xenotransplantation 22, 329 (2015).

8. J. Denner, in Retroviruses: Molecular Biology, Genomics,

and Pathogenesis, R. Kurth, N. Bannert, Eds. (Caister

Academic Press, 2010), pp. 35–69.

9. J. Denner, R. R. T?njes, Clin. Microbiol. Rev. 25, 318 (2012).

10. J. Denner, Viruses 9, 213 (2017).

11. M. Semaan et al., PLOS ONE 10, e0122059 (2015).

12. L. Yang et al., Science 350, 1101 (2015).

13. J. Denner, APMIS 124, 31 (2016).

14. M. Mangeney et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 20534

(2007).

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