異種腎移植的臨床研究進(jìn)展

陳玲，成家友，邱濤，王天宇，盛夢(mèng)丹，唐艷，李金珂，周江橋（武漢大學(xué)人民醫(yī)院器官移植科，湖北 武漢 430060）

血液透析是終末期腎病患者維持生命的重要方式，但這種治療方式會(huì)嚴(yán)重降低患者的生活質(zhì)量，腎移植是治療終末期腎病的最有效手段，能極大程度上改善患者的生存質(zhì)量和生存率，但由于受到供腎資源短缺的限制，中國(guó)每年在分配系統(tǒng)中等待腎移植的患者約有10 萬(wàn)余人，僅有3%的患者能夠成功配型并接受腎移植手術(shù)。目前，通過(guò)使用血型不相容以及擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)的邊緣供腎等策略在一定程度上改善了腎源短缺這一現(xiàn)狀，但仍無(wú)法滿足患者對(duì)于供腎的需求，因此供需之間的巨大差異是臨床亟需解決的難題。

1 異種腎移植的發(fā)展

面對(duì)全球范圍內(nèi)供腎資源短缺這一難題，異種腎移植作為最有可能改善這一現(xiàn)狀的解決方案逐漸被提出［1］。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，異種腎移植就是把一個(gè)物種的腎臟移植到另外一個(gè)物種體內(nèi)。目前異種腎移植均使用非靈長(zhǎng)類動(dòng)物（non-human primates，NHPs）作為供腎來(lái)源［2］。異種移植起源于17 世紀(jì)，最初的行為是羔羊向人輸血，從而提出異種輸血［3］，隨著Alexis Carrel 教授開創(chuàng)了血管吻合技術(shù)，在20 世紀(jì)初期便開始在非靈長(zhǎng)類動(dòng)物中嘗試進(jìn)行器官移植。由于NHPs 的生長(zhǎng)發(fā)育更接近于人類［4］，因此研究者在1920 —1990 年不斷進(jìn)行腎臟、心臟和肝臟的異種移植試驗(yàn)，但倫理、器官大小、物種間出現(xiàn)的感染等因素成為異種移植的最大障礙。1905 年，法國(guó)醫(yī)生Princeteau 進(jìn)行了世界第1 例異種腎移植手術(shù)，他將兔的腎臟移植到1 例終末期腎臟病的兒童體內(nèi)，但在術(shù)后第16 天發(fā)生了排斥反應(yīng)，該例患者死于肺部感染。此后，世界各地的研究者逐步加入到異種腎移植的研究當(dāng)中［5］。1906 年，法國(guó)的Jaboulay 教授首次將豬的腎臟移植給1 例慢性腎功能衰竭患者，置于患者肘窩，術(shù)后有尿液產(chǎn)生，但在術(shù)后第3 天腎血栓形成，導(dǎo)致移植手術(shù)失敗，這是最早被記載的臨床異種移植試驗(yàn)。而后諸多醫(yī)生均進(jìn)行了不同嘗試，但均以失敗告終［6］。隨著器官免疫排斥反應(yīng)和環(huán)孢素A 的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家于1954 年成功實(shí)施同種異體腎移植，使得異種腎移植重新成為研究熱點(diǎn)［7］。1964 年美國(guó)醫(yī)生Reemtsma成功完成第1 例異種腎移植，是將黑猩猩的腎臟移植到1 例終末期腎病患者體內(nèi)，該例在使用免疫抑制劑后存活9 個(gè)月。由此認(rèn)為異種腎移植存在長(zhǎng)期存活的可能性。1964 年Starzl 教授實(shí)施了6 例狒狒的腎臟移植給慢性腎衰竭患者的手術(shù)，最長(zhǎng)的受者帶功存活98 d［8］。盡管黑猩猩和狒狒與人類血緣較近，但它們身上存在一些人類的易感病毒，因此并不是異種腎移植最理想的供者。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有有效的免疫抑制劑，因此可能前期臨床異種腎移植手術(shù)的失敗均與排斥反應(yīng)密切相關(guān)，目前異種腎移植的臨床實(shí)踐雖較前有明顯進(jìn)步，但距離我們最初的期望仍有較大差距。

2 臨床異種腎移植的優(yōu)勢(shì)與供者選擇

對(duì)于同種異體腎移植而言，異種腎移植的潛在優(yōu)勢(shì)在于供體器官來(lái)源可以無(wú)限供應(yīng)，極大程度上解決了供體器官短缺的難題［9］。供體來(lái)源感染一直是影響移植物和受體存活率的高危因素，異種供腎因其供者從出生開始便會(huì)被安置在特定無(wú)病原體、生物安全條件下，并且定期監(jiān)測(cè)，因此不含有外源傳染性微生物，從感染角度來(lái)看大大優(yōu)于公民逝世后器官捐獻(xiàn)供者，避免了供體來(lái)源感染的問(wèn)題。對(duì)于邊緣供腎來(lái)說(shuō)，尤其是糖尿病控制不佳或患嚴(yán)重外周血管或腦血管疾病的供者，常規(guī)腎移植術(shù)后會(huì)嚴(yán)重影響受者和移植腎的遠(yuǎn)期存活，選擇異種腎移植將極大程度上解決這一問(wèn)題，在規(guī)律服用抗排斥藥物的基礎(chǔ)上，將更有利于受者和移植腎的遠(yuǎn)期存活。其次使用異種供腎也降低了臨床腦死亡供者對(duì)移植腎的不利影響（尤其是低血壓）?，F(xiàn)階段，研究最多的主要有猴、豬、狒狒等動(dòng)物。但由于多種原因，豬是進(jìn)行基礎(chǔ)與臨床研究最多且最具應(yīng)用前景的動(dòng)物［9］，它擁有繁殖能力強(qiáng)、繁殖數(shù)目多、成熟周期短、飼養(yǎng)成本低、器官大小與人類相仿、主要生理指標(biāo)與人相似、易于進(jìn)行基因工程等優(yōu)勢(shì)［10］。此外，豬并非保護(hù)級(jí)動(dòng)物，因此涉及到的倫理學(xué)障礙也相對(duì)較少。

3 基因工程在異種腎移植中發(fā)揮關(guān)鍵作用

人體免疫系統(tǒng)具有完善的防御機(jī)制，由于豬和人之間的系統(tǒng)發(fā)育差距較大，供受體之間的分子不相容，導(dǎo)致異種腎移植后出現(xiàn)一系列免疫并發(fā)癥，導(dǎo)致異種移植發(fā)生排斥反應(yīng)。異種腎移植會(huì)觸發(fā)受體的免疫反應(yīng)［11］。目前，異種腎移植的實(shí)施一般遵循兩種方式，一是將豬本體的異種抗原刪除，二是在豬體內(nèi)插入保護(hù)性人類基因以對(duì)抗人免疫系統(tǒng)產(chǎn)生排斥反應(yīng)。排斥反應(yīng)類型按照異種腎移植排斥的機(jī)制和時(shí)間分為：超急性排斥反應(yīng)、急性細(xì)胞排斥反應(yīng)和慢性排斥反應(yīng)。其中研究最多的即為超急性排斥反應(yīng)。若無(wú)特殊處理的供腎進(jìn)行異種腎移植時(shí)，術(shù)后幾分鐘內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)超急性排斥反應(yīng)，并可導(dǎo)致移植失敗。

異種腎移植也存在較大的分子差異，包括天然抗體、補(bǔ)體、NK 細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。異種移植的免疫屏障比同種異體移植的免疫屏障大得多。在異種移植的研究中，大多數(shù)移植失敗與凝血功能障礙密切相關(guān)。凝血是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它涉及血小板、凝血因子、內(nèi)皮細(xì)胞和其他血細(xì)胞之間的相互作用。血小板活化是異種腎移植中血栓形成的主要因素。血小板可以被抗體、補(bǔ)體和許多分子激活，包括組織因子誘導(dǎo)的凝血酶、膠原蛋白、血管性血友病因子和二磷酸腺苷。此外，豬和靈長(zhǎng)類動(dòng)物之間的分子不相容性也會(huì)導(dǎo)致血栓形成。為了克服這一關(guān)鍵障礙，豬的基因編輯以及藥物治療有望解決異種腎移植中發(fā)生的凝血障礙。

目前有3 種豬抗原較為明確，其中α-1，3-半乳糖（α-1，3-galactose，Gal）是豬體內(nèi)第1 個(gè)被敲除的異種抗原［12］，它是在豬細(xì)胞中的α-1，3-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶（α- 1，3-galactosyltransferase，GGTA1）的催化下合成，Gal 可導(dǎo)致超急性排斥反應(yīng)發(fā)生，Gal 在大多數(shù)哺乳動(dòng)物中高度表達(dá)，但在人類中無(wú)表達(dá)。人體內(nèi)存在著大量針對(duì)Gal 表位的抗體，因此當(dāng)豬的腎臟移植給人時(shí)，預(yù)存的抗-Gal抗體識(shí)別Gal 表位，導(dǎo)致豬腎臟中的血管內(nèi)皮細(xì)胞被破壞［13］。一個(gè)更有效的策略是敲除豬GGTA1 基因（GGTA1-KO），這是異種移植領(lǐng)域的一個(gè)里程碑事件［14］。有報(bào)道稱，使用GTKO 豬作為供體，狒狒的心臟或腎臟移植存活顯著延長(zhǎng)［15］。GGTA1 基因敲除后幾乎完全消除了Gal 介導(dǎo)的超急性排斥反應(yīng)，因此可以作為進(jìn)一步基因操作的基礎(chǔ)［16］。研究指出［17］，CMAH 基因編碼所產(chǎn)生的酶催化生成的N-羥乙酰神經(jīng)氨酸（Neu5Gc）是導(dǎo)致異種移植排斥反應(yīng)的重要非半乳糖抗原，CMAH 基因的表達(dá)能夠引起異種移植的免疫排斥反應(yīng)［18］。β4GalNT2 基因編碼的酶能夠催化Sd（a）血型抗原，當(dāng)豬的腎臟移植到人類受者后，該基因能夠被免疫球蛋白結(jié)合，從而引起排斥反應(yīng)。在最新的臨床研究中［19］，證實(shí)了敲除編碼合成碳水化合物異種基因（GGTA1、β4GALNT2、CMAH）后，可以防止人類受體產(chǎn)生超急性排斥反應(yīng)［20］。轉(zhuǎn)基因豬作為異種腎移植的首選供體已經(jīng)有大量報(bào)道，并且最新研究表明，轉(zhuǎn)基因豬的腎臟移植正從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向臨床試驗(yàn)［21］。

4 異種腎移植的臨床試驗(yàn)

自1990 年以來(lái)，大量研究者一直嘗試使用轉(zhuǎn)基因豬作為異種腎移植的主要來(lái)源。2015 年之前，使用豬-NHPs 行異種腎移植維持生存期僅有幾個(gè)星期，最長(zhǎng)報(bào)道的生存期僅為90 d［22］。未經(jīng)基因修飾的野生型豬的腎臟移植給NHPs 后，NHPs 幾分鐘之內(nèi)便會(huì)出現(xiàn)超急性排斥反應(yīng)，但在基因工程豬出現(xiàn)之后，超急性排斥反應(yīng)發(fā)生率得到逐步降低。2021 年10 月，紐約大學(xué)朗格尼健康中心對(duì)1 例有腎功能障礙跡象的女性腦死亡患者，在其撤除生命支持前進(jìn)行了首例異種腎移植的人體試驗(yàn)，術(shù)后幾分鐘便有尿液排出并且血肌酐達(dá)正常水平，54 h 后終止該實(shí)驗(yàn)，豬腎在恢復(fù)血流期間并未出現(xiàn)超急性排斥反應(yīng)，這標(biāo)志著異種腎移植的臨床試驗(yàn)成功實(shí)施。該供腎來(lái)自美國(guó)聯(lián)合治療公司的子公司Revivicor 設(shè)計(jì)的“GalSafe”豬，它通過(guò)基因工程敲除掉豬細(xì)胞表面可導(dǎo)致人體對(duì)豬器官產(chǎn)生快速排斥反應(yīng)的Gal 基因。同年12 月，該中心的Montgomery教授使用基因工程豬腎臟進(jìn)行了第2 次異種腎移植，將一個(gè)缺少Gal 基因的豬腎臟移植到一個(gè)僅靠呼吸機(jī)維持生命體征的患者體內(nèi)，術(shù)后腎臟即開始排尿，血肌酐水平恢復(fù)正常。研究者通過(guò)以上2 例人體豬腎移植的臨床試驗(yàn)［23］，為異種腎移植的臨床研究和基礎(chǔ)研究增強(qiáng)了信心，為后面一系列異種腎移植臨床試驗(yàn)的開展奠定了穩(wěn)定基礎(chǔ)。

5 豬腎異種移植的免疫抑制方案

免疫排斥反應(yīng)、炎癥和凝血功能障礙以及豬PERV 的異種傳播風(fēng)險(xiǎn)，阻礙了豬到人的異種腎移植［24-26］。近年來(lái)，隨著基因組工程技術(shù)和強(qiáng)效免疫抑制藥物的快速發(fā)展，這些障礙可以通過(guò)對(duì)豬基因進(jìn)行基因改造以及使用有效的免疫抑制劑來(lái)消除。大多數(shù)方案與臨床同種異體腎移植中使用的方案相似，包括耗竭T 細(xì)胞的有效藥物，例如抗胸腺細(xì)胞免疫球蛋白 （anti thymocyte immunoglobulin，ATG），也包括耗竭B 細(xì)胞的藥物，例如抗CD20 單抗。然而使用常規(guī)免疫抑制方案（例如他克莫司、雷帕霉素、皮質(zhì)類固醇）在異種腎移植中效果欠佳［27］。除了對(duì)供體豬進(jìn)行基因編輯外，對(duì)受體進(jìn)行免疫抑制治療也是異種腎移植成功的必要條件。T 細(xì)胞共刺激阻斷劑（如抗CD154 單抗、抗CD40 單抗）療法最初由Buhler 等［28］于2000 年引入，在異位和原位心臟移植模型以及生命支持腎移植模型中使用基于共刺激或基于常規(guī)藥物方案的經(jīng)驗(yàn)表明，增加了移植物存活率［29］。但抗CD154 單抗具有易于形成血栓的特性，用于臨床治療的可能性較小。所以認(rèn)為共刺激阻斷劑可能是異種腎移植免疫抑制方案中的關(guān)鍵藥物［30］。

然而隨著3 種關(guān)鍵抗原表達(dá)的敲除，常規(guī)的免疫抑制療法得到繼續(xù)探索，同時(shí)在免疫抑制方案中可以增加IL-6 進(jìn)行抗炎輔助治療［31］。一項(xiàng)研究回顧了Tregs 在異種移植中的潛在作用，并注意到越來(lái)越多的證據(jù)表明 Tregs 能夠抑制異種T 細(xì)胞反應(yīng)以及NK 和B 細(xì)胞活化。研究者認(rèn)為使用允許Treg擴(kuò)增同時(shí)控制T 效應(yīng)細(xì)胞增殖的免疫抑制藥物非常重要，靶向的CD154/CD40 通路在這方面是有益的［32］。T 細(xì)胞和引發(fā)的抗體反應(yīng)可以通過(guò)目前可用的生物和/或藥理學(xué)試劑來(lái)預(yù)防。特別是通過(guò)低劑量藥物治療增強(qiáng)的基于共刺激阻斷的方案（不包括抗CD154 單抗）已顯示出令人滿意的療效。

6 小 結(jié)

異種腎移植是解決當(dāng)前供腎資源短缺最有前景的方式，但其安全性和存活率仍限制人類異種腎移植的發(fā)展。從美國(guó)最近報(bào)道的2 例異種腎移植人體試驗(yàn)來(lái)看，對(duì)豬的基因組進(jìn)行基因修飾可有效降低排斥反應(yīng)的發(fā)生。到目前為止，已經(jīng)生產(chǎn)出多種轉(zhuǎn)基因豬，包括針對(duì)免疫排斥反應(yīng)、炎癥、凝血功能障礙和 PERV 跨物種傳播的改良型供臨床試驗(yàn)使用，相信異種腎移植在不久的將來(lái)會(huì)取得顯著的研究成果。