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美國賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫(yī)學院完成了世界首例基因編輯豬肝用于人的體外肝臟灌注

1月18日，生命科學前沿領(lǐng)域的一個特殊消息，給2024年的開篇帶來了新的曙光。在這天，美國賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫(yī)學院正式宣布，他們成功完成了世界首例基因編輯豬肝用于人的體外肝臟灌注。

如果你不熟悉器官異種移植，可能無法感受到這一突破的重要性。2022年3月，全球首例豬心移植患者手術(shù)兩個月后死亡的新聞，傳遍了全球互聯(lián)網(wǎng)。

相比起豬肝異種移植，這其實已經(jīng)一個非常巨大的喜訊—豬心已經(jīng)可以在活人身上進行嘗試，但在肝臟異種移植方面，科學家能做到的，僅僅是體外肝臟灌注，而且用的還是基因編輯過的豬肝，甚至是用在已經(jīng)腦死亡的人身上進行實驗。

既然這樣，為什么還說這一次的突破，會帶來新的曙光呢？根本原因在于，豬肝異種移植，遠遠比心臟異種移植難得多。

器官移植的圣杯

人的心、肺、腎等器官，都是非常單純的，它們的功能都比較專一。肝臟則是一個功能非常復雜的器官，涉及非常多復雜的生化反應(yīng)。

它不僅通過膽囊釋放膽汁來發(fā)揮消化功能，還是人體三大營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化器官：攝入過多蛋白質(zhì)，肝臟會去掉氨基酸中的氨基，轉(zhuǎn)化成脂肪和糖分；相反，攝入糖分和脂肪過多時，則會在經(jīng)歷一系列代謝后，加入氨基轉(zhuǎn)化成氨基酸；肝臟還會儲存脂肪和糖原，為人體儲備能量。

人體在進行代謝的過程中，會產(chǎn)生大量代謝廢物，尤其是含氮物質(zhì)，對人體具有毒害作用。肝臟則發(fā)揮起核心的廢物代謝功能，會把這些含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化成尿素和尿酸，再由腎臟排出體外。當人攝入有毒有害物質(zhì)，肝臟還會發(fā)揮解毒作用，氧化分解毒理成分。

肝臟甚至還具有一定的造血功能，可以合成凝血因子、抗凝因子，儲存脂溶性維生素，同時發(fā)揮調(diào)節(jié)人體激素的功能。

總之，肝臟是人體內(nèi)功能最為復雜的器官。

要用機器復刻這些生化反應(yīng)，甚至遠遠比解決豬肝臟的直接移植難得多。

如果是人與人之間的同種移植，功能都是相同的。和其他器官一樣，主要解決了排異問題，就有了移植的可行性，但異種移植就必須解決以上的所有問題。

正是因為肝臟異種移植的難度如此巨大，因此它才被稱為異種移植領(lǐng)域的圣杯。如果未來有誰拿下了它，也就意味著，人類可能已經(jīng)攻克了所有的器官異種移植。

生命科學前沿領(lǐng)域之所以在器官異種移植方向投入如此大的研究力度，根本原因還是，全人類都面臨著巨大的器官移植缺口。迄今為止，任何成功的器官移植手術(shù)，器官都是來源于另外一個獨立個體的人類。

除了腎臟，或肝臟這樣有著恢復能力的，絕大多數(shù)捐獻的器官都源于意外身亡者，且在親屬同意后才能達成捐獻。

這樣的供源邏輯，決定了這個缺口是十分非常巨大的。

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球每年需要器官移植的人數(shù)約有200萬人，可供應(yīng)的器官僅僅只有10萬左右，器官供應(yīng)缺口達到驚人的95%。在肝臟移植方面，美國有著1.7萬人在等待肝臟供體，中國則是1.5萬左右。無論美國還是中國，都只有很少人最終有機會接受肝臟移植。

器官的緊缺，迫使醫(yī)學界不得不把目光投向豬。

如何延長生命？

然而，肝臟異種移植領(lǐng)域面臨著空前的難度。研究人員考慮的，并不是如何取下肝臟異種移植的“圣杯”，而是如何先一步步地延長患者的生命。

肝功能的衰竭并不是突然發(fā)生的，而是一個循序漸進的過程。要延長患者的壽命，除了尋找肝源供給的新途徑，如器官再生等技術(shù)外，還可以想方法促進肝細胞再生，以及用其他一些辦法，暫時性替代衰竭的肝臟。

體外肝臟灌注，正是一種暫時替代衰竭肝臟，發(fā)揮相關(guān)生理作用的技術(shù)。那么，這種技術(shù)是如何發(fā)展的，醫(yī)學界都做過哪些努力？

它的原理其實和腎透析非常接近。區(qū)別在于，腎透析所用的透析器，本質(zhì)上是一種人工腎臟，而體外肝臟灌注用的是另外一顆肝臟，來源于同種或異種。

之所以有這樣的差異，是因為腎臟對血液進行過濾時，腎小球上的濾過膜本質(zhì)上是由毛細血管壁構(gòu)成的一種半透膜，從而能對血液成分起到選擇性過濾的作用—對于半透膜技術(shù)，人類已經(jīng)掌握得非常成熟，因此在那些腎衰竭人群的體內(nèi)，透析器可以直接發(fā)揮體外腎臟的作用。

另外，雖然也有肝透析技術(shù)，但其主要是用于病毒性肝炎等疾病的治療，并不具備相關(guān)的肝功能。

由于肝臟功能非常復雜，涉及眾多的生化反應(yīng)，要用機器復刻這些生化反應(yīng)，甚至遠遠比解決豬肝臟的直接移植難得多，根本不是現(xiàn)今人類技術(shù)所能替代的。不過，通過相應(yīng)的設(shè)備，是可以延長全肝在體外的存活時間。

因為人源肝臟供應(yīng)的緊缺，體外肝臟灌注技術(shù)天然更適合異種肝臟。通過這個技術(shù)，異種肝臟可以輔助處理患者血液，替代自體衰竭肝臟的生化功能，從而改善生理情況，延續(xù)生命。

肝臟體外灌注最早可追溯到100多年前的19世紀，不過早期主要是用來研究肝臟代謝。一直到1958年，科學家通過對狗進行同種體外肝臟灌注實驗，發(fā)現(xiàn)狗體內(nèi)的血氨水平明顯降低，這才開啟了肝臟灌注技術(shù)發(fā)展的大門。

隨后幾年，無論肝病晚期的人，還是異種的狒狒、牛、狗、豬，都進行了大量的體外肝臟灌注實驗，但這些實驗的結(jié)果并不理想。

1965年，研究人員在患有急性肝功能衰竭的豬和人中測試了幾種灌注回路，有了一定的初步成果。隨后，從1965年到2000年長達30多年的時間里，相關(guān)研究人員總共進行了141次的離體豬肝灌注，用于治療87名臨床狀況不佳的肝衰竭患者。

這些研究的最終結(jié)果顯示，大多數(shù)患者的肝昏迷癥狀有所緩解，體內(nèi)生化狀況有所改善，甚至有三名患者完全康復，一些患者的生存期得到延長。當然，絕大多數(shù)的患者都出現(xiàn)了心肺、血液方面的排異和并發(fā)癥，有三名患者最終死亡。

盡管這些實驗并沒有對照，結(jié)果可能存在一定的偶然性，但至少證明了兩件事情：首先，肝臟體外灌注的確是一個行之有效的方法；其次，強烈的排異反應(yīng)是一個必須解決的難題—只有做到能長期穩(wěn)定灌注，才能像透析對腎的幫助那樣，為衰竭的肝臟提供生理支持。

排異問題，是一個非常大的挑戰(zhàn)。人和豬的基因至少有著長達8000萬年的親緣差距，基因差異達到17%，是人與黑猩猩差異的17倍，僅僅豬肝中，就有著超過100種蛋白質(zhì)與人存在差異。

人與豬間的異種移植排異反應(yīng)，往往比人與人之間嚴重很多。尤其超急性排斥反應(yīng)，極其快速、暴力，會直接導致全身炎癥反應(yīng)綜合征，患者可在術(shù)后幾分鐘到一個小時內(nèi)死亡。

雖然20世紀末的研究，已經(jīng)通過去除抗體、抑制/破壞抗原等多種方法，來盡可能降低排異，然而這依舊無法根本性地解決問題。直到進入21世紀，基因技術(shù)的快速發(fā)展，才讓肝臟體外灌注有了全新的發(fā)展機遇。

就像解決豬心的排異反應(yīng)那樣，這一次，賓夕法尼亞大學也是通過基因編輯，敲出豬的相關(guān)基因，插入人的相關(guān)基因，來解決排異問題。他們總共編輯了69處基因，其中3種豬特有的聚糖抗原相關(guān)基因被敲出，插入的人源基因則是與炎癥、凝血、細胞凋亡相關(guān)的7個基因。

另外59處編輯的，則是豬逆轉(zhuǎn)錄病毒基因。之所以要重點編輯這些基因，是因為內(nèi)源性病毒可能導致致命感染，感染的同時也會導致器官排斥。

研究結(jié)果顯示，使用基因編輯過的豬肝臟進行長達72小時的灌注，腦死亡者的生命體征都一直維持在非常穩(wěn)定的狀態(tài)。這意味著，豬肝在一定時間范圍內(nèi)，成功替代人肝發(fā)揮了作用。

只有做到能長期穩(wěn)定灌注，才能為衰竭的肝臟提供生理支持。

黑猩猩性成熟的時間也需要10年左右

如果這些豬肝體外灌注未來成功用在肝衰竭患者身上，也能穩(wěn)定發(fā)揮功能，那無論是延長生命，還是等待移植機會方面，都會非常有幫助。

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，相信未來某一天，完全的豬肝移植也能真正的運用在人的身上。

為什么偏偏是豬？

但我們不禁要問，為什么偏偏是豬成了人類器官移植的未來？

提起異種器官移植，很多人可能會首先想到與我們親緣各系最近的黑猩猩，哪怕再其次一點，也應(yīng)該是獼猴、狒狒這樣的猴科動物，而不是親緣關(guān)系非常遠的豬—至少親緣關(guān)系更近，免疫排異反應(yīng)發(fā)生概率也會更低，癥狀也會更輕。

其實，醫(yī)學界最開始也的確考慮過黑猩猩，它們不僅和人類有著最近的親緣關(guān)系，體型和器官大小也相近，甚至血型也匹配，從生理上的確非常適合。

然而很快大家就意識到，他們忽略了一個非常嚴重的問題。

因為人類活動，黑猩猩其實已經(jīng)是一種瀕危動物。相對比起人類的龐大規(guī)模，它們的種群數(shù)量顯得捉襟見肘，全球數(shù)量大約20萬只，甚至只有人類200萬器官移植缺口的零頭。

除此之外，黑猩猩和人類一樣，是一種生長十分緩慢的動物，雖然它們性成熟的時間比人類稍短，但足足也需要10年左右。

以上這些原因，使得黑猩猩沒有條件作為人類器官的供體，必須選擇其他物種替代。雖然研究者也拿狒狒嘗試過，但由于它們的器官過小，具有O型的罕見血，6年的生育期也相對較長，而且種群數(shù)量同樣不大，同樣使它們不合適成為人類的器官供體。

最終，研究者把目光放在了豬的身上。雖然豬的親緣關(guān)系和人比較遠，但相比起另外一些物種，依舊有著相對較近的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，具備作為器官供體的生理條件。雖然較遠的親緣關(guān)系，意味著更高免疫排斥風險，但同時也降低了大多數(shù)共患基因疾病的風險；相反，如果使用靈長類的器官，則因有著更多共患疾病，會增加疾病傳播風險。

豬器官的大小比較適中，即便某些器官可能比人類略大，但比起其余動物，已經(jīng)有著非常高的匹配度，可通過手術(shù)最終完成對接。除此之外，豬還具有妊娠期相對較短、產(chǎn)仔數(shù)較大、易于繁殖、容易獲得、價格低廉，以及適用基因編輯工具CRISPR等一系列的優(yōu)點。

這些綜合優(yōu)點，是其他任何一種大型動物都無法比擬的。因此，豬最終成為目前人類最合適的異種器官來源。

豬這種動物，本來就與我們?nèi)祟愑兄浅Ｉ詈竦臏Y源，或許未來某一天，這種淵源將在我們很多人的身體里，繼續(xù)延續(xù)。

（作者系生命科學科普作家）

責任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com