基因编辑技术为异种器官移植带来生机
时间:2017-12-07

  基因编辑技术为异种移植带来活力 - 新闻 - 科学网

  苍白的躺在破碎的冰床上,这只肺看起来就像屠夫的柜台里的水,六个小时前,马里兰大学医学院的外科医生把他从一头强壮的成年猪身上取下,幸好它很快就会回来把它变成鲜红的颜色,继续在6岁的狒狒的胸腔中工作。

  一名帮手将肺部拉向了拉尔斯·布尔多夫和他的外科医生的同事。现在,他们正伸入被打开的狒狒的胸腔,随后,队员们开始了将器官连接到狒狒的气管,并将相应的动脉和血管缝合在一起的痛苦过程,但是,5小时的手术费用5万美元,只是一个较长时间的试验数据,后者涉及几十个实验室和几十年的免疫学研究以及基因工程,为人类移植产生一个稳定安全的器官来源,如果狒狒的免疫系统可以容忍替代肺,这将是一个标志着球队走上正轨。

  罗宾·皮尔逊是上述马里兰实验室的负责人。该实验室已进行了约50例从猪到灵长类动物的移植,以检测转基因猪和灵长类猪免疫抑制药物的不同组合。即便如此,这个团队也不允许任何一位灵长类的寿命超过几天。免疫系统的复杂性和被猪流感病毒感染的可能性是非常可怕的,大公司在世纪之交被赶出这个领域。

  今天,由于免疫抑制药物的改进以及CRISPR / Cas9等基因组编辑技术的进步,这一趋势可能会逆转。这些技术使科学家能够更快,更准确地编辑可能引起排斥或感染的猪基因。今年10月,位于波士顿的生命科学公司eGenesis宣布突然编辑了猪基因组中的62个位置。

  历史悠久

  至少从二十世纪六十年代开始,外科医生就试图把狒狒和黑猩猩的肾脏放入体内,几个月内很少有病人会死亡,这通常是因为免疫系统攻击和拒绝移植的器官,然而,异种移植始终存在,支持者们争辩说,它将拯救世界上每年成千上万的人在等待正确的人类捐献者时死亡的生命。

  90年代开始出现非人体器官排除的细节,移植领域已经做好了准备。 1993年,匹兹堡大学的外科医生David Cooper及其同事发现,大部分的人体免疫反应都是针对单一的猪抗原:称为-1,3-半乳糖的糖分子。它在细胞表面,可以在几分钟内触发器官排斥反应。称为-1,3-半乳糖基转移酶的酶对于产生这种糖是必不可少的,产生酶的基因敲除应该缓和这种反应。

  对于大型制药公司来说,这一发现以及其他移植医疗方面的进展使得上述问题更容易处理。诺华制药(Novartis AG)移植和免疫部主管Geoffrey MacKay在1996年表示,该公司开始大力投资于异种器官移植研究。他们不但要减轻器官短缺,还真想解决通用猪的问题。目前,MacKay是eGenesis的临时首席执行官。

  然而,免疫系统比预期的要复杂得多。接受猪器官的狒狒从来没有生存过几个星期,尽管研究人员可以使用药物来抑制生产。第二个主要问题是感染的风险。即使猪可以保持在完全无菌的环境中,猪的基因组也被数十种休眠转录病毒(PERV)覆盖。至于能不能在人体内活动,结果一直是矛盾的。

  未来10年,这个领域的业务已经黯淡,至少对于实体器官移植来说。与此同时,一些研究团队和初创企业已经开始了猪移植:这是一个比使用实体器官更简单的目标,因为免疫反应不那么严重。也有生产胰岛素的猪胰岛细胞,可能被移植到糖尿病患者中。

  一代游戏

  不过,Cooper说这个过程很慢。通常需要几代人才能在猪体内敲除一个特定基因的两个拷贝,需要更多的代才能删除多个基因或用人类基因来代替它们,因为每一代都含有具有不同基因组合的猪。

  这就是为什么很多人对CRISPR / Cas9等精确基因组编辑工具如此兴奋的原因,CRISPR / Cas9一下子切断了猪胚胎中的两个基因拷贝。我们首先敲了猪加仑整整3天。印第安那大学移植外科医生Joseph Tector表示,现在我们可以在150天内从头开始制造一头新的猪。他的研究小组最近使用CRISPR敲除了两个猪基因。研究人员现在开始将用CRISPR修饰的猪器官移植到已经存活三个月以上的猕猴。

  明尼苏达大学(University of Minnesota)移植外科医生Bernhard Hering说,最终的基因编辑甚至可以消除免疫抑制的需要。他的团队正在使用CRISPR来创建猪胰岛,可以不用药物就可以移植。最早的商业化胰岛可能来自Living Cell Technologies(LCT)开发的技术。位于新西兰奥克兰的一家生物技术公司设计了将猪胰岛细胞装入凝胶状露珠的过程,以保护它们免受身体免疫系统的损害,部分原因是LCT在微囊化胰岛中的成功,许多人希望胰岛细胞将成为进入临床试验的第一个基因工程组织。一个非营利组织已经建造了无菌设施来培养Hering生长的猪。

  技术复苏

  2014年,由基因组测序先驱Craig Venter创建的Therapeutics和California Biotechnology Enterprise Synthetic Genome(SGI)达成了5000万美元的合作关系。 SGI不仅仅是简单地去除抗原,而且还在改组那些可以以不同的方式避免厌恶的组织。例如,基因工程猪细胞产生的表面受体作为分子海绵,带走人体免疫信号。 SGI的哺乳动物合成生物学组负责人肖恩·史蒂文斯(Sean Stevens)说,CRISPR和其他方法也可以让研究人员做一些微调,比如减少基因的表达,而不是完全删除它。今年9月份,另外治疗承诺5000万美元。

  澳大利亚墨尔本圣文森特医院的免疫学家Peter Cowan正在采用不同的方法。他的研究小组培养了能够产生免疫细胞的抗体。在他们的设计中,抗体仅由移植的干细胞产生,以确保免疫系统仅在器官附近受到抑制。

  今年四月,eGenesis由哈佛大学威斯康星研究所生物工程师陆瀚汉和遗传学家乔治·丘奇共同创建,麦基说明年计划明年将器官移植到灵长类,为此,该公司已经开发出了20多种对细胞表面抗原和其他因子的遗传改变的胚胎,并准备将其移植到母猪身上。公司的首个成果之一是使用CRISPR灭活猪肾中的PERV基因细胞。研究人员随后将这些细胞核转移到猪胚胎中。

  巧合的是,这个领域的研究人员很少把PERV作为一个重要的安全问题。马萨诸塞州总医院的传染病专家Jay Fishman说,病毒在人体组织中的复制很差,传播病毒的风险几乎不存在,研究人员追踪了数十名接受过不受控制的猪皮肤移植的人发现没有人出现这种疾病。

  但是,处理PERV可能有监管的必要性。美国食品和药物管理局说,它仍然担心PERV引起这种疾病的可能性。当然,还有其他的病原体需要担心。澳大利亚国立大学传染病专家Peter Collignon说,大多数严重的流行病始于动物病原体,它们会跳到人类身上。

  除非异种移植被证明是非常安全的,否则FDA建议将其限制在没有其他选择的危险生命的患者身上。同时,将转基因猪的器官推向市场将更加困难,因为监管机构必须批准用于种植动物的遗传构建体和器官。 (宗华)

  中国科学通报(2015-11-17第3版国际)

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  自然报告(英文)