一只可以「救命」的猪

在尺寸和功能上与人体器官接近,基因又易于改造和修饰的猪,如今成为器官移植的一大潜在来源

如果你的亲人,或者你本人需要器官移植,你会介意这个器官来自于一只猪吗?

2020 年 12 月,美国食品药品监督管理局(FDA)批准 Revivicor 公司的基因编辑猪 GalSafe 上市,它可用于食品和医用领域。与常规猪不同,研究人员以基因工程技术敲除了猪细胞表面的 α- 半乳糖分子。

α- 半乳糖分子广泛存在于猪、羊、牛等「红肉」哺乳动物的细胞表面。对于某些敏感人群,食用含有 α- 半乳糖的红肉会引起过敏反应,严重程度从荨麻疹到呼吸困难不等。敲除这一分子后,食用的过敏反应即可解除。

根据 FDA 介绍,GalSafe 猪除了可以直接作为食品,还能作为生物反应器,提供猪肉材料来源,用于生产不含 α- 半乳糖的医疗产品,比如血液稀释药物肝素。不过 Revivicor 最想通过 GalSafe 实现的,是生产可以用于异种移植的器官。

美国卫生部数据显示,2019 年,仅美国就有超过 10 万人在等待合适的捐赠器官。而根据一份器官移植的研究进展报告,在全球范围内,由于器官短缺,90% 需要器官移植的患者在等待过程中死亡。寻求人体以外的可替代器官就成了解决器官短缺的研究方向。

理论上,选择与人亲缘关系接近的灵长类动物作为移植来源是最佳方案,但灵长类动物数量少,脏器体积也偏小,且正是由于亲缘近,更容易引发伦理上的争议。而猪器官在尺寸和功能上与人体器官接近,加上其基因易于改造和修饰,通常被用来食用的猪如今就成为器官移植的一大潜在来源。

当然,把猪器官移植到人体上,免疫排斥反应仍然是重要障碍。GalSafe 猪被敲除掉的 α- 半乳糖除了会让人过敏,也正是导致免疫排斥反应的主要原因之一。因为动物进化到灵长类之后,体内就不带半乳糖了。

在 2016 年发布的一份报告中,Revivicor 公司和美国国立卫生研究院的研究人员表示,他们能够让 GalSafe 猪的猪心在狒狒身上存活 2 年半,其肾脏在猴子体内也存活了 6 个多月。但值得注意的是,Revivicor 彼时对于猪心的异种移植并非原位移植,狒狒仍然保留自己的心脏,只是猪心被移植到狒狒的腹部——这种方法被称为异位移植,将器官跟受体动物的循环系统连接起来,看它是否会被受体动物排斥。

Revivicor 并不是唯一一家用基因猪做器官移植的机构。韩国忠南大学和 MGEN 公司就曾克隆出拥有人类免疫基因的迷你猪。而 2018 年,德国慕尼黑 Walter Brendel 试验医学中心的 Bruno Reichart 团队也曾将基因编辑过的猪心移植到狒狒身上,与 Revivicor 不同的是,这个团队做的是同位移植实验,即用猪心脏完全替代狒狒心脏,在那一年,Bruno Reichart 的团队实现的最长存活记录是 195 天,突破了此前科研界 57 天的纪录。

这个团队对基因猪器官移植研究的进展做出了几项贡献:首先,研究人员改进了猪心离体后的保存方式,以延长器官的保存时间。同时,研究人员也使用药物雷帕霉素来抑制猪心的发育速度。雷帕霉素有免疫抑制以及抗增殖作用,通常被用于预防器官移植手术后的排异反应,以及用作经皮冠状动脉治疗(PCI)手术里冠脉支架上的涂层,用以预防血管再狭窄。此外,2017 年,以美国 eGenesis 公司为首的研究团队表示,他们已实现敲除猪种群基因组里的 PERV(内源性逆转录病毒),PERV 也被视为阻碍猪为人提供器官的主要障碍。

Revivicor 这个名字可能不太为人熟知,但其前身 PPL Therapeutics 声名显赫——全球第一只克隆羊「多莉」的创造者。

PPL Therapeutics 最初主打的产品是转基因乳腺生物反应器,就是让一些生物活性物质能够以羊奶或者牛奶为载体表达出来,这些物质可以用于治病。但最终,其产品没有获得批准走向临床。2002 年,PPL Therapeutics 破产。次年,PPL Therapeutics 的美国团队成立 Revivicor,这是一家再生医学公司,主要为治疗退行性疾病生产替代性组织来源,产品线包括针对糖尿病的胰岛素生产,以及针对器官移植的替代性猪肾脏、猪心脏、猪肝脏器官。

Revivicor 的官网介绍里特意写道:「调控 T 细胞基因表达的下一代基因猪目前正在生产和测试中。」异体移植排斥反应由 T 细胞攻击引起,T 细胞是人体免疫防御系统的一部分,它能识别出特殊的外来信号。在异体移植中,免疫排斥反应主要是通过持续的药物治疗来控制。Revivicor 的方法则是在猪身上添加或者减少能影响 T 细胞反应的基因。

中科院广州生物医药与健康研究院研究员赖良学也很早就开始做基因猪的异种器官移植方面的研究。1998 年,他前往美国密苏里大学攻克基因编辑猪技术。与 Revivicor 所做的事情一样,赖良学所在的团队也在做半乳糖基因敲除猪产品。2002 年 1 月,赖良学以第一作者的身份在权威杂志《科学》(Science)上发表文章,宣布成功培育出全球第一例基因敲除基因猪。赖良学对《第一财经》杂志表示,密苏里大学团队用的是小型猪,Revivicor 用的是大型猪。但两个团队的目的是一样的,都是为了解决将猪器官移植到人体后的免疫排斥问题。

彼时,基因编辑还未像现在这样得到快速发展,赖良学所在的团队采用的还是相对传统的同源重组技术。这一技术基于 1980 年代中后期 DNA 同源重组的原理发展而来,利用胚胎干细胞的显微注射来实现同源序列 DNA 分子之间或者之内的重新组合。「那时还没有高效的基因编辑技术,做基因编辑的成功率很低。」赖良学说。

根据赖良学的介绍,基因猪主要包含普通转基因和基因打靶两种。普通转基因猪通常是将外源基因置入猪的细胞里,让猪表达出它没有的基因,或者它自己有但是表达弱的基因;基因打靶是指「剪切」猪基因的特定位置。基因打靶主要有两种功能:一种是基因敲除,即把某段基因去掉;一种是基因敲入,即把某个基因放到某个地方。

经典的基因打靶技术效率低,难度大。直到 2009 年前后,基于核酸酶的新型基因编辑工具陆续问世,比如 ZFN、TALEN 和 CRISPR/Cas9 大幅度提升了基因编辑操作的效率和通量,这三种技术又分别被叫作一代、二代及三代基因编辑技术。随着技术的更迭,它们被越来越多地用于寻找针对多种基因疾病的疗法,在诸如抗病性方面做性能改造,以及改良动物、植物的新品种,提高它们的生产效率。

尽管基因编辑工具的进步极大提高了基因改造的精准性和效率,异种移植器官走向应用仍面临很大的挑战。软骨、角膜类相对简单的器官可能应用起来相对较快,像肾脏、心脏一类功能复杂的高级器官则会缓慢一些。

国际异种移植指导委员会对异种移植研究进入临床提出的前提是「60% 的动物实验受体存活时间超过 3 个月,至少有 10 例连续的移植实验」。而临床试验的目标是:永久性替换原有器官,必须有超过 50% 的受体生存时间长于 6 个月。

「有很多器官衰竭终末斯的病人如果不及时做器官移植可能会很快死掉。其中一个思路是,如果先做异体器官移植,即使只能帮助延长患者半年的寿命,可能患者就可以等到合适的人体器官,然后再做移植,这可能就是猪器官移植的市场。」中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室研究员赵建国对《第一财经》杂志说。

但实现对猪的基因组的高效改造,更重要的基础工作是加强对猪的基因组信息的了解,挖掘更多影响性状的基因信息。「我们对猪的基因组的了解,还远远不够。」赵建国说。

实际上,在 GalSafe 猪之前,美国也出现过基因编辑动物上市的案例。2015 年,FDA 批准 AquaBounty 公司的 AquAdvantage 转基因三文鱼可上市用于食用。这种鱼的生长速度大约是传统养殖三文鱼的两倍——传统三文鱼要成长到市场规模,至少需要 3 年时间。

AquaBounty 开发转基因三文鱼主要基于经济效益的因素。根据这家公司对《第一财经》杂志的回复,AquAdvantage 三文鱼除了生长速度更快,饲养效率也更高,可以在每个养殖周期获得更大的产量。而且它可以在陆地上的消费区附近养殖,从而降低运输成本。

但更快更省钱的三文鱼产品并未收获市场认可。尽管已获监管机构批准,该产品却迟迟未能在美国上市,原因就在于舆论对于转基因食品的抵制。2016 年,美国国会对 FDA 发出指令,禁止任何含有转基因成分的产品在美国市场销售,除非给产品贴上标签,告知消费者转基因信息。这一禁令直到 2019 年才解除。

GalSafe 猪与 AquaBounty 的三文鱼产品都使用了基因工程技术,但不同点在于,转基因是把外源基因置入到目标基因里,GalSafe 猪这类产品是对本身的基因改造,只是通过基因敲除或者单碱基替换的方式给基因片段做「加减法」,没有带入外源基因,这也是研究人员认为产品没有额外风险的原因。

每个国家对于不同类型的基因编辑生物的政策也略有不同。日本、巴西、阿根廷等国对基因编辑生物上市的监管相对更宽松和灵活,对于未导入外源基因的基因编辑生物与转基因生物区别管理,应用上更开放。欧盟和新西兰则仍将前者视作转基因生物,实行严格监管。

中国目前也尚未出台专门的基因编辑生物的管理政策,所有相关产品都只能按照转基因生物管理,比如南京尧顺禹生物技术有限公司研发的基因编辑黄颡鱼,就正在申请「漫长」的安全评价审查。尧顺禹生物借助基因编辑技术敲除了黄颡鱼的生长抑制基因,从而使鱼可以快速增长。「现在转基因生物的管理模式比较复杂和严格,需要评估生态安全,看周边物种有没有变化,这就要花费 4 到 5 年时间。」公司副总裁王明开对《第一财经》杂志说。

很多基因编辑生物领域人士都曾表示,应对基因编辑和转基因分开管理,给予基因编辑技术更大空间。如果按照基因变异的来源分类,基因变异可以分为自然突变、物理和化学方式人工诱变,以及涵盖基因编辑技术在内的生物诱变三种。研究人员认为,通过基因编辑技术诱变的新品种本质上与自然界自然突变的品种类同。但也有质疑方对基因编辑生物的不可控性表示担忧,比如基因编辑过的动植物在多代繁衍后可能会出现不可逆的致病性状等等无法预测的后果。

FDA 的审查文件也分析了 GalSafe 猪的食用安全问题:GalSafe 猪的饲养条件要比传统养殖的猪严格得多,在管理良好的商业化养殖条件中,Galsafe 并没有动物安全问题。但改造目的基因的同时有可能会影响其他基因的表达,比如是否会表达出新的蛋白。所以,「在产品投入市场前,仍然需要安全评估可能的风险」。

Galsafe 猪的获批,当然是基因编辑领域里一个利好的信号,但 Revivicor 表示,猪肉生产并不是公司主要的业务方向。其获批上市的产品不会在商超里售卖,Revivicor 也不会直接参与销售,对带有 α- 半乳糖分子的猪肉过敏的消费者需要向第三方下订单,才能买到 Revivicor 的猪肉产品。

猪器官的异种移植才是这家公司的重点和未来方向。

在尝试做心脏置换之前,Revivicor 计划先从肾脏移植开始。他们正在等待正式的人体试验,如果顺利的话,临床试验今年就会开始。来自波士顿的一家公司已经在测试 GalSafe 猪的皮肤移植方式,看它是否能作为烧伤患者自身皮肤再生的治疗选择。「我们的最终目的是,真正实现器官的『无限制』供应。」Revivicor CEO David Ayares 曾如是说

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