陈忠华 | 脑死亡遗体异种移植亚临床模型—实验研究到临床研究的关键性突破

2022
06/04

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中国普外基础与临床杂志
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异种移植实验研究进展较快,但临床研究一直处于停滞状态。

脑死亡遗体异种移植亚临床模型——

实验研究到临床研究的关键性突破

陈忠华. 脑死亡遗体异种移植亚临床模型—实验研究到临床研究的关键性突破. 中国普外基础与临床杂志, 2022, 29(6): 701-704. doi:10.7507/1007-9424.202204043

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陈忠华

华中科技大学附属同济医院器官移植研究所长江学者特聘教授;华中科技大学附属同济医院器官获取组织(OPO)首席顾问;中国人体健康科技促进会器官与组织捐献专业委员会主任委员;中国人体器官捐献与分配工作委员会副主任委员;中国医师协会器官移植委员会常委;中国器官捐献与移植委员会委员;中国器官移植特别工作会委员会委。推动我国国际标准化器官及组织捐献与移植;推动我国异种移植基础研究及亚临床研究模型的开发利用。

摘  要

近年来,基因工程(genetic engineering,GE)和克隆技术的突破性进展使得“无指定病原体(designated pathogen free,DPF)异种移植(xenotransplantation,XENO)医用(medical,M)猪”(以下简称:GE-DPF-XENO-M 猪)培育成功。以 GE-DPF-XENO-M 猪为基础,大量以非人类灵长类动物(non human primates, NHPs)为受体的异种移植实验基本上回答了人们最为关心的问题:①克服超急性排斥反应;②克服跨物种感染。这些成就直接催生了新型“异种移植亚临床研究模型”的问世。2021 年底,美国 Montgomery 及 Porrett 团队先后将 GE 猪肾移植到 3 例脑死亡遗体,48~72 h 观察没有超急性排异反应发生。这 3 例亚临床研究为异种移植进入临床研究提供了科学依据。2022 年 1 月 7 日,美国马里兰 Griffith 等将一颗 GE 猪心移植给一位严重心脏功能衰竭的患者,并存活 59 d。以上进展表明异种移植向临床研究阶段迈出了关键性一步,值得我国同行关注和借鉴。

异种移植实验研究进展较快,但临床研究一直处于停滞状态。基因敲除、基因转入和基因修饰的动物器官已经能在非人类灵长类(non human primates,NHPs)移植模型中长时间存活。在这些实验中,预存抗体介导的超急性排异反应等问题,基本上得到了有效的控制。很多专家认为,异种移植离临床应用就差最后的临门一脚来激发链接(the missing link)。而关键的问题是:何时、何地、以何种方式逐步过渡到标准的临床研究阶段。因为存在跨物种传染病(zoonosis)的风险,异种移植直接在自愿者身上进行Ⅰ-期临床研究在很多国家都还属于伦理或法规的禁区。然而,缺少这一步,任何新的治疗手段都无法证实其安全性及有效性,任何临床应用也就无从谈起。

面对全球日益短缺的器官问题, 2019年美国器官移植年会(ATC)组织了“异种移植,我们准备好了么?”的专题辩论会。作为模拟反方, Montgomery教授提出:应用脑死亡状态下的遗体作为异种移植模型可能是填补这一关键性鸿沟(a giant leap)的有效桥接(bridging)。笔者全程参与了这次 ATC重要讨论,并在全国器官移植学术会议上进行了多次详细传达。

2年过去,2021年末至 2022年初,美国连续释放 4例猪供给人的异种器官移植重要信息。这些临床级别的最新进展,彻底打破了该领域持续 30年的沉静。尤其是 2022年 1月 7日,美国马里兰大学医学中心将一颗基因编写猪的心脏直接移植给了一位生命濒危的终末期心脏病患者,并存活 59 d。该系列性医学突破引发了广泛的关注。该研究进展表明异种移植面向未来的临床研究迈出了关键性一步。正如漫长的星际旅行一样,这是医学进步的一小步,但却是人类进步的一大步。这 4个案例,无论是创新精神、技术进步,还是伦理学的同步跟进,都值得我国同行关注和借鉴。 

1  异种器官移植百年历史简要回顾

异种移植是器官移植的“鼻祖”。早在 17世纪,西欧就有尝试用羊的肾脏来挽救尿毒症者。1920年,以俄国甫洛诺夫为代表的一些医生为了给患者注入“活力”,将黑猩猩等动物的睾丸切片植入老龄受试者的阴囊。此后 10年,具不完全统计,有 1万多名医生参与了类似植入手术,涉及数以万计的受试者,最终因为疗效不确切而被当局叫停和制裁[1]。现将异种移植史上的 4次破冰之旅简要总结如下。 

1.1 第一次破冰之旅 

1923–1960年,异种移植经历了长达 37年的 “第一次冰河时期”,在此期间,大家开始探索同种移植的可能性。1960–1970年,在美国,有医生用猪或狒狒的肝脏,离体或在体灌流,治疗急性肝功能衰竭。50例肝昏迷的患者中,20例可以恢复清醒。1963年,大约有 7例患者接受了狒狒的肾脏移植[2]。1969–1973年,在美国,实施了 3例黑猩猩给人的肝移植;同期,在南非,实施了 2例灵长类给人的心脏移植。以上案例均以失败告终[1-2],并直接导致临床研究热情退潮。 

1.2 第二次破冰之旅 

1973–1984年,异种移植又经历了长达 11年的 “第二次冰河时期”,在此期间,同种移植技术及器官捐献都得以快速发展,但供-需缺口仍然很大。异种移植研究再次回潮。但由于技术条件有限,屡屡失败。1984年,美国洛杉矶, Leonard Bailey给 1例早产女婴做了狒狒心脏移植,女婴存活 1周死亡。1992年 6月 28日,美国匹斯堡, Starzl 尝试狒狒到人的异种肝移植,第 1例于术后 70 d死于复合性感染,此后的第 2例,于术后 26 d死于胆道并发症、腹膜炎[3]。1992年 10月 11日,在美国,因等不到同种肝,一家医院尝试将猪肝临时移植给 1例爆发性肝昏迷患者,患者完成移植 24 h后死亡。以上 4例的失败,引发了不少争议,最终直接导致异种移植临床应用被禁[4-5]。这一停就是 30年。 

1.3 第三次破冰之旅 

1992–2021年,异种移植进入长达 30年的“第三次冰河时期”,在此期间,虽然同种器官捐献和移植都得到充分的发展,但器官仍然供不应求。基因工程技术全面突破和广泛应用,大量 NHPs实验基本上回答了人们最为关心的两大问题:如何克服超急性排斥反应和跨物种感染。这些成就直接催生了一系列“异种移植亚临床研究模型”问世。2021年底,美国,有两组医生先后完成 3例基因工程(genetic engineering,GE)无指定病原体(designated pathogen free,DPF)异种移植(xenotransplantation,XENO)医用(medical, M)猪(以下简称为 GE-DPF-XENO-M猪)肾脏移植到脑死亡遗体的针对超急性排斥反应的异种移植研究,观察期为 48~72 h[6]。

临床前研究、亚临床研究和 0-期临床研究这 3个名词基本上是一个含义。脑死亡猪肾移植模型并非真正意义上的临床研究,而是一种建立在脑死亡=死亡前提下的“临床前研究”。脑死亡状态下的人体遗体,既类似于临床,又不完全等同于临床。但 3例异种移植亚临床实验为推进异种移植进入真正的人体临床观察,提供了科学基础依据。 

1.4 第四次破冰之旅 

2021年 9月 25日至 2022年 1月 7日,异种移植进入“快速冰河消融期”。2022年 1月 7日,美国马里兰大学医学中心 B. Griffith等将一颗 GE-DPF-XENO-M猪心直接移植给一位患者,并存活 59 d。 

2  现代异种移植学中“临床安全”与“临床研究”之间的悖论

①因为有生物安全性问题,异种移植不能直接进入临床研究阶段。②因为 NHPs(如猴、狒狒、猩猩等)不能直接等同于人类,哪怕只有 1%的基因差异。因此,其实验结果也不能直接等同于临床结果。NHPs结果再多、再好,也只能“参考”,不能“借鉴”。③没有直接在人类中进行的临床级别的安全性、有效性研究,又如何证明“安全有效”?这些就是长期困扰异种移植不能进入临床研究阶段的根本原因。1998年 2月 8日,美国以 F. Bach为代表的保守派提出:成立新的异种移植立法委员会,以立法的形式暂停和延迟异种移植临床应用。此提案遭到以 D. Sachs为代表的推进派的反对。他们提出:应当小心从事,而不是停止或延迟,因为已有很多患者在等待中去世[5]。

我国异种器官移植研究起步较晚,但近 10年来发展很快,国家和社会投入都不少。然而,如果上不了临床,再大的投入都没有意义。

如何打破这一僵局?美国纽约大学朗格尼医学中心(NYU Langone Hearth)Robert Montgomery教授团队于 2019年提出:必须以脑死亡遗体作为过渡模型,填补 NHPs与临床之间的空白。这一大胆的设想,在 2021年年底得以实现(n=2,48 h,有良好的肾功能;无超级排斥反应)。这一模型的成功应用,是异种移植历史上的重要里程碑。

如何避免跨物种传染病风险?针对猪可能传播疾病的潜在风险,美国这 4次移植的器官均来自特殊环境下培育的 GE-DPF-XENO-M猪。作为一个潜在的临床医疗资源,GalSafe.,GE-DPF-XENO-M猪,在 2020年底获得美国食品药品监督管理局(food and drug administration,FDA)的使用批准。这也说明了 DPF猪在生物安全性方面,达到了高级别的管控标准(包括内源逆转录病毒)。 

3  猪心脏移植为何能取得重大突破

为什么选择猪?首先是因为猪不是保护级动物,涉及伦理学的障碍相对较少。第二,猪主要脏器的大小和人类基本相接近。第三,猪的繁殖力强,生长周期短,适合于大规模培育。第四,我们对猪的基因有比较深的了解,而且已经精准掌握了猪基因的改良和编写技术。

为什么首选心脏移植?因为没有太大的生物适配性问题,只是一个尺寸大小和泵血力度的问题。心脏基本上不承担人体内分泌和新陈代谢功能,相对容易成功。而肾脏,既有排泄功能也有分泌红细胞生成激素功能;肝脏更为复杂,参与人体各种新陈代谢以及各种蛋白质和酶的合成。相对而言,心脏承担的功能比较单一。

目前,美国马里兰大学医学中心的心脏异种移植已经取得 4个方面的初步成功:第一,成功完成猪心脏移植到人体的手术;第二,完全克服了超急性排斥反应;第三,猪心脏的血流量、流速和压力符合人体血液循环动力学要求;第四:只要免抑制方案使用得当,猪心完全可以在人体内发挥功能。

异种器官移植优势显著。因为这样的器官可以批量生产,供给不受时间地点的限制。人捐献的器官肯定是最理想的,但是数量的确有限。而且什么时间、什么地点有适合的器官,没法确定。尽管人工机械心脏也有这些优势,但是它却需要电池和充电。 

4  仍有四大问题亟待解决

异种器官移植刚刚达到临床试用的第一站,未来仍然有四大问题需要解决:免疫排斥、生物安全、跨种适配和伦理心理。

现在还不清楚,移植手术后的急性排斥反应和慢性排斥反应是否能得到很好控制。这需要长期的观察。一般急性排斥反应的高发期是接受手术后的 3个月内。即使 3个月过后,如果没有控制好,急性排斥反应也随时有发生的可能。

心脏移植患者于术后 59 d去世的原因是什么?目前为止,马里兰大学医学中心尚未正式发表经同行评议的学术报告(报告已投稿 NJM杂志)。有限信息分析认为,免疫抑制治疗过量(或者不足)引起的肝肾毒性(或急性排斥反应);预防和(或)治疗复合性、耐药性感染所用的多种抗生素引起肝肾毒性;包括心脏在内的多器官功能(原有的基础疾病)衰竭等。确切原因,以马里兰大学医学中心发布的正式报告为准。主管医生在媒体报道中明确指出:只要免疫抑制方案得当,猪心完全能够在人体中发挥功能。这一结论无疑给异种移植带来了更多的信心。

所谓生物安全问题,就是医用猪心脏会不会给人类带来猪的病毒和细菌造成的危害。所谓跨种适配问题,就是医用猪心脏是否能够与人的机体一直保持大小尺寸合适的问题。它是否会停止生长,还是继续生长。如果继续生长会不会挤压胸腔,导致血压过高、过低,血液出量过大、过小等问题。这些都还不清楚,待观察。这几场手术本身,给伦理学提出了新的课题。在安全、有效、科学、理性和可控五大前提下,将 PDF猪器官用于人体,基本上不会有特别大的伦理学障碍。但是从心理学上来说,总会有人不愿意接受动物器官。尽管如此,总有一天量产的 PDF医用器官会成为现有资源体系的一种补充性、替代性资源。

必须强调,GE-DPF-XENO-M猪器官不会干扰人类的基因,也不会改变人类的生活习性。美国于 2006年就制定了医用猪工业生产指南,并于 2016年予以修订[7]。 

5  小结

综上,历经百年、4个阶段的破冰之旅,异种移植终于安全抵达临床应用的第一站。正如抵达月球是太空旅行的第一站一样,异种移植离真正意义上的临床应用还有较长的距离,还要经过严格的Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期临床观察,才能真正步入临床应用阶段。尽管异种移植仍将面临免疫排异、生物安全、跨种适配、伦理心理四大挑战,但猪作为医用型动物的时代已经来临[8-9]。我国器官移植临床应用技术已经达到国际先进水平,GE-DPF-XENO-M猪的研发和生产能力也接近国际先进水平。但基础研究和成果转化没有得到足够重视,目前仍停滞在 NHPs实验阶段。技术准备和伦理听证也必须尽快跟上。国家卫生行政管理部门也应尽快出台相应政策法规的指导意见,严格审查与异种移植临床相关的科研计划,防止一哄而上,盲目跟风。

在国家卫生健康委员会指导下,中国器官移植发展基金会 2022年 4月 6日发布《中国人体异种器官移植临床试验专家共识》,明确对于异种器官移植,应本着“鼓励研究、审慎发展”的态度,科学评价研究进展、清醒认知相关风险。此前,中办、国办印发的《关于加强科技伦理治理的意见》明确了科技伦理原则和治理要求、科技伦理治理体制、科技伦理治理制度保障等方面内容,也为异种器官移植、基因编辑等科技伦理治理明确了界限。

我们不可能永远停留在实验室,总要迈出一步。科技的每一次重大进步必然会对伦理道德提出更高的要求,而伦理道德的高标准又指引科学技术朝着正确方向迈进,但最终目的是为人类健康服务。

重要声明和参考文献略。

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关键词:
陈忠华,关键性,遗体,临床,模型,移植

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