文 | 動脈網(wǎng)
2024年，異種器官移植進入了臨床研究爆發(fā)的元年。
2024年1月，世界首例利用小型豬肝臟對腦死亡患者進行體外灌注手術完成。手術中用到的動物肝臟，來自eGenesis公司開發(fā)的基因編輯小型豬。這個豬肝臟在體外維持患者肝功能長達72小時，過程中沒有觀察到排斥反應的跡象，患者肝臟保持了穩(wěn)定的血流、壓力和pH值。同年3月，在取得FDA“同情使用”許可后，麻省總醫(yī)院對一名患者進行了異種腎臟移植手術，他們所采用的腎臟，來自一頭經(jīng)過69處基因編輯的小型豬。盡管這名患者最終在5月份就不幸去世，但在異種移植術后的一段時間，患者曾恢復狀態(tài)良好，這無疑給異種移植帶來了希望。
在國內，2024年3月，西京醫(yī)院專家團隊首次將一顆基因編輯豬肝臟移植，到一名50歲的腦死亡男性體內。術后24小時，受體血流動力學平穩(wěn)，移植肝臟膽汁分泌良好，B超顯示移植肝臟血供良好，病理檢查也沒有發(fā)現(xiàn)排斥反應，手術本身宣告成功。
隨著異種移植器官能夠維持患者生命的時間越來越長，相關研究密集進入臨床，作為異種器官重要供體的小型豬，也開始站上風口。
基因編輯技術把小型豬推向風口
一直以來，經(jīng)過人工培育的小型豬，都是生命科學研究中重要的實驗動物。
實驗小型豬的器官大小、生理結構與人類相仿，是研究人類復雜、疑難疾病的很適宜模型。在生命科學實驗中，小型豬模型主要被用于人類心血管疾病模型、藥效學、免疫系統(tǒng)、藥物耐受性、過敏反應、藥物代謝、創(chuàng)傷修復等方面的研究。比如，小型豬解剖學、生理學特征與人類相似，可以被廣泛用作疾病模型進行基礎研究和藥物篩選，這主要應用在糖尿病、心血管疾病、癌癥等領域的新藥研發(fā)中。再如，由于小型豬與人類在生理功能、酶活性上有較高的相似性，也常被用于開展經(jīng)皮膚給藥制劑的藥代動力學研究。
不過，相比實驗猴、實驗大小鼠等應用更成熟的實驗動物，實驗小型豬的這些優(yōu)點并不足以讓它們在生命科學實驗室中廣泛流行起來。實驗小型豬的真正爆發(fā)，是在基因編輯技術被引進來之后。通過基因編輯技術，針對性地改變小型豬，可以提高其作為模型動物的適用性和精確性。
比如，在糖尿病小型豬模型的構建中，如果只是采用高脂飲食，會誘發(fā)小型豬出現(xiàn)肥胖、糖耐量異常等表型，但一般不會導致糖尿病，需要聯(lián)合應用其他手段破壞胰島β細胞，比如鏈唑霉素、四氧嘧啶和基因修飾技術等。
更重要的是，由于豬器官大小、生理結構和功能與人體同類器官相似，在無法獲得人體捐獻器官的情況下，豬器官被認為是最接近的替代品。在異種器官移植中，免疫排異反應是最主要的挑戰(zhàn)。由于供體和受體之間存在巨大的遺傳差異，受體的免疫系統(tǒng)會將異種器官視為“非己”成分并進行攻擊，從而引發(fā)強烈的排斥反應。
通過基因編輯，研究者能夠對供體器官進行改造，從而降低或消除人體對其的免疫排斥反應。其中，比較主流的基因編輯技術是CRISPR-Cas9。具體而言，實驗小型豬的研究者可以利用CRISPR-Cas9技術，來敲除引起排異反應的基因、引入人類基因以增強兼容性、消除內源性病毒、調節(jié)血小板凝血和抑制免疫反應。
比如，在前述麻省總醫(yī)院進行的異種腎臟移植中，eGenesis對尤卡坦迷你豬進行了69處基因編輯，敲除與超急性排異反應有關的基因、內源性逆轉錄病毒（PERVs）基因的同時，添加了參與調控排異反應的人類基因。而在西京醫(yī)院的異種移植手術中，合作方中科奧格通過基因編輯技術敲除了豬對人的三個主要異種抗原，并轉入了兩個補體調節(jié)蛋白和一個抗凝血蛋白，從而降低免疫排斥反應，使豬器官更適合作為人類移植的供體。
除此之外，通過基因編輯技術，科學家們還能夠調節(jié)豬的血小板凝血功能，并引入新的基因來抑制免疫反應，從而降低移植后出現(xiàn)排斥反應的風險。除了CRISPR/Cas9技術，研究人員還通過自主建立的多基因精準編輯技術，成功獲得了一些特定基因缺失的小型豬模型，如ApoE和LDLR雙基因缺失豬，可以用于進一步研究和應用。
誠然，無論采用何種基因編輯技術，都還不足以解決異種器官移植中的全部復雜問題。但基因編輯技術在精準改造實驗小型豬的應用中日趨成熟，無疑讓異種器官移植這種大膽的醫(yī)學創(chuàng)新，往臨床落地邁開了一大步。
FDA已經(jīng)批準4款基因編輯動物
近年來，在海外，將動物進行基因編輯，作為食品、藥品的來源，或者直接作為食品、藥品，已經(jīng)成為大健康創(chuàng)新中不可忽視的趨勢。一些通過基因編輯的動物已經(jīng)取得了相關資質，正式進入常規(guī)市場進入市場。據(jù)統(tǒng)計，至今，F(xiàn)DA已經(jīng)先后批準了4款與基因編輯動物相關的產品上市。
首先是作為生物反應器的基因編輯動物。2009年，F(xiàn)DA批準了一種遺傳性抗凝血癥藥物Atryn上市，這是全球首個獲批的抗凝血酶重組蛋白產品。Atryn由GTC Biotherapeutics公司開發(fā)，以基因編輯山羊作為生物反應器。通過基因編輯技術，GTC Biotherapeutics的研發(fā)人員將人抗凝血酶基因導入山羊的乳腺細胞，從而使得這些山羊能夠生產出人抗凝血酶蛋白。這種在人體內可以作為天然的血液稀釋劑，預防和治療急慢性血栓，對抗凝血酶缺失癥。
Atryn也是首款獲批由基因編輯動物產生的藥物，打開了基因編輯動物作為未來藥物工廠的可能性。
此后，在2015年，又FDA批準了一種轉基因雞，用于生產罕見病藥物Kanuma。Kanuma是溶酶體酸性脂肪酶缺乏癥患者的第一種治療藥物，由Alexion公司開發(fā)。Kanuma從經(jīng)過基因工程處理的雞的蛋清中提取。它的功能，是取代人體中的一種錯誤的酶，讓人體重新獲得分解細胞中脂肪分子的能力。對于Kanuma的商業(yè)化前景，Alexion公司十分樂觀。Alexion公司預計，Kanuma最終可能帶來超過10億美元的年銷售額，這將有助于其在罕見病領域保持增長。
其次，基因編輯動物本身，也可以直接作為食物（未來也可能作為藥物）獲批上市。2015年，F(xiàn)DA批準AquAdvantage鮭魚上市，成為歷史上首個獲批的基因編輯食品動物。在美國，轉基因食品上市需要通過FDA批準。AquAdvantage鮭魚由AquaBounty Technologies公司開發(fā)，在基因組中插入了來自奇努克鮭魚（Chinook Salmon）的生長激素基因和來自大洋鱈魚（Ocean pout）的抗凍蛋白基因。經(jīng)過基因編輯后，AquAdvantage鮭魚可以在較短時間內達到市場重量，不需要更多食物喂養(yǎng)，并且對環(huán)境的影響更輕。數(shù)據(jù)顯示，AquAdvantage鮭魚可以在18個月時達到市場大小，而傳統(tǒng)非轉基因鮭魚則需要3年時間。
盡管FDA經(jīng)過長達20年的嚴格審查后，確認了AquAdvantage鮭魚與傳統(tǒng)大西洋鮭魚一樣安全且營養(yǎng)相同， 加拿大衛(wèi)生部也在2016年批準了其在加拿大銷售，但AquAdvantage鮭魚的商業(yè)化進展卻并不順利。由于公眾輿論的反對，AquAdvantage鮭魚在美國市場的推廣受到了限制。2018年，AquaBounty公司虧損超過1億美元，多次瀕臨破產。
到了2023年12月，F(xiàn)DA加大了對基因編輯動物的支持力度，批準一款基因編輯豬上市，可以同時用于人類食用和醫(yī)療用途。這款基因編輯豬名為GalSafe豬，由Revivicor公司研發(fā)。Revivicor公司上一次為人們熟知，是為全球首例豬心臟移植人體手術提供了基因編輯豬心臟。2022年1月，美國馬里蘭大學醫(yī)學院團隊為一名患者移植了一顆豬心臟，這是盡管患者只存活了60天，但術后，這顆豬心臟功能良好。
經(jīng)過基因編輯，GalSafe豬體內缺少一種會引發(fā)過敏反應的α-半乳糖甘酵素（Alpha-Gal）分子。一方面，GalSafe豬本身可以直接作為食物，提供給患有α-半乳糖甘酵素綜合征的患者，避免出現(xiàn)嚴重的過敏反應。另一方面，GalSafe豬還被作為生物反應器，來制造對α-半乳糖甘酵素綜合征患者更安全的肝素。值得注意的是，由于α-半乳糖甘酵素可能會導致移植器官出現(xiàn)排異反應，敲掉了這種基因的GalSafe豬，在器官移植方面也頗有前景。
在異種器官移植中，基因編輯小型豬本質上也是目標器官的生物反應器，但基因編輯小型豬器官進入臨床應用的過程會更復雜，除了基本的生物技術突破外，還涉及動物福利、醫(yī)學倫理、臨床技術等多方面的問題。但基因編輯動物相關產品的陸續(xù)上市，或許可以為異種移植器官的開發(fā)，提供了一種可資借鑒的監(jiān)管方式。
國內小型豬資源豐富
在被發(fā)現(xiàn)并培育用作實驗動物前，小型豬的種類、數(shù)量十分稀少，長期生活在交通不便的封閉自然環(huán)境中。與普通家豬相比較，小型豬遺傳背景較一致、個體之間的遺傳特性均、抗逆性較強。此前，小型豬的繁殖性能較好，飼養(yǎng)成本也相對低廉。
野生的小型豬，要經(jīng)過人工飼養(yǎng)和培育，才可以作為實驗小型豬，在醫(yī)學、臨床、制藥等生命科學領域廣泛應用。人工飼養(yǎng)的目的，是讓群聚的小型豬具有明確的來源和遺傳信息，并根據(jù)生命科學實驗的需要，培養(yǎng)出純系種群、封閉種群、突變型種群、無菌種群或者已知指定菌叢種群、無特定病原種群等實驗種群。
20世紀40年代末，美國研究者開始探索小型豬的培育。明尼蘇達小型豬是首個經(jīng)過人工培育，可以用于生命科學實驗的小型豬種群。此后，不斷有新的小型豬品種加入實驗動物的名單，包括后來應用更廣泛、體型更小的米爾它小型豬。
在我國，小型豬的種質資源十分豐富。我國是家豬的主產國，有著得天獨厚的品種多樣性優(yōu)勢。在西藏、廣西、云南等地廣袤的山地、草原中，生活著大量各具特點的小型豬。具體而言，現(xiàn)階段，國內培育、應用相對成熟的小型豬包括，西藏小型豬、五指山小型豬、巴馬小型豬、貴州香豬、版納小型豬等。
其中，在異種移植中應用比較廣泛的，是巴馬小型豬。在中科奧格與西京醫(yī)院合作開展的豬肝臟移植中，就采用了巴馬小型豬。這是一種在中國廣西壯族自治區(qū)巴馬縣和東田縣等地原產的特有豬種。研究顯示，廣西的巴馬小型豬培育基地位于廣西大學。1987年，廣西大學動物遺傳育種實驗室的王愛德教授和郭亞芬教授從廣西巴馬瑤族自治縣巴馬香豬原產地引入了巴馬香豬，并在廣西大學畜牧試驗站進行了封閉培育。
現(xiàn)階段，無論是在國內還是海外，用基因編輯小型豬的器官來進行異種器官移植的探索，都還處于極早期階段，仍受到大量技術、社會層面困難的制約。但通過基因編輯的方式可以減少異種器官帶來的排異反應，已經(jīng)基本得到證實，這項技術的臨床應用跨過了最難的一道關卡。而器官移植作為許多重大疾病患者的人生最后一次嘗試，供需缺口巨大。一旦在更常規(guī)的醫(yī)療場景中突破了異種器官移植的可能性，填補臨床空白的價值不言而喻。
目前，基因編輯小型豬正在成為一級市場投資的熱門標的。作為海外異種器官移植的頭部企業(yè)，成立于2015年的eGenesis，已經(jīng)完成了4輪融資，募集近4億美元。eGenesis的最近一輪融資在9月剛剛完成，獲得了由Lux Capital領投的1.91億美元D輪融資，將用于推進核心在研產品EGEN-2784進入首個人體腎臟移植臨床試驗，并擴大生產規(guī)模。在國內，成立于2018年的中科奧格，也完成了近1美元融資。中科奧格的最新一輪融資在今年7月完成，獲得定州醫(yī)創(chuàng)的近千萬美元A+輪融資。
在國內，已經(jīng)由多家創(chuàng)新機構布局基因編輯小型豬。除了前文提到的中科奧格外，位于北京的蓋蘭德生物，基于農科院北京畜牧獸醫(yī)所五指山小型豬近交系，開發(fā)出了角膜、皮膚、肝、腎、心臟、胰島、多巴胺細胞、大血管等多種異種移植材料。而中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所通過自主建立的多基因精準編輯技術，成功獲得6頭ApoE和LDLR雙基因缺失豬，并歷時6年多選育出3個小型豬疾病模型新品系。這些新品系病理特征明顯，每個品系的種群都達到60頭以上。
從某種意義上講，國內外的基因編輯小型豬器官移植技術的產業(yè)化幾乎站在了相同起跑線上。而國內豐富的種質資源，為風口上的基因編輯小型豬奠定了更堅實的基礎。我們也期待，越來越多的異種移植器官被開發(fā)出來，為一些無藥可救的患者帶去生命的更多可能性。