窦科峰院士
【引用本文】窦科峰，林智斌，马先一. 异种移植：从基础到临床的瓶颈与对策[J]. 中国实用外科杂志,2025,45(1):5-10.
随着人类预期寿命的不断延长,慢性病和终末期器官衰竭病人的数量也日益增多。器官移植作为一种有效的治疗手段，却受限于供体器官的严重短缺。在此背景下，异种移植作为一种潜在的替代方案，展现出了弥补器官、组织和细胞供需缺口的巨大潜力。得益于基因编辑、免疫抑制和器官保存等理论和技术的发展，异种移植临床应用的可行性日益增强。尽管如此，异种移植的临床应用目前仍处于初步探索阶段。
基金项目：国家自然科学基金项目（No.82371793，No.82070671，No.82400667）
作者单位：空军军医大学第一附属医院肝胆外科，陕西西安710032
通信作者：窦科峰，E-mail：doukef@fmmu.edu.cn
1 异种移植研究新进展
异种移植的历史可追溯至17世纪末，当时法国医生首次尝试将羊血注入人体，开启了异种移植的探索。近年来，随着基因工程技术的进步和新型免疫抑制药物的开发，异种移植的亚临床和临床试验迎来了新的突破，近3年国内外开展的异种移植相关亚临床和临床试验见表1。由表1可见，目前异种心脏、肾脏移植的亚临床和临床试验的开展例数远大于异种肝移植。造成此现象的原因是与心脏和肾脏相比，肝脏具有极其复杂的功能和免疫原性。由于我国是“肝病大国”，肝移植的需求量远超其他国家，亟待扩充肝移植供体。因此，探究异种肝移植的基础理论、开展相关的亚临床和临床试验，对于我国而言具有重大的现实意义。
2 异种移植的重点难点问题及解决策略
2.1 免疫排斥反应 异种器官移植面临着免疫排斥反应的风险，这是移植成功的关键障碍。可能出现的免疫排斥反应主要包括抗体介导的超急性排斥反应（HAR）、急性体液异种移植排斥反应（AHXR）和细胞介导的急性细胞异种移植排斥反应（ACXR）。
2.1.1 抗体介导的排斥反应 HAR通常发生在移植后几分钟至几小时内。受体血液中的天然抗体与供体血管内皮细胞上的异种抗原结合，激活补体系统，导致血管内皮损伤和血栓形成。AHXR发生在HAR之后，同样由体液免疫反应介导，引起内皮细胞活化和过度的炎症反应，其组织学特征为弥漫性血管内凝血以及局灶性缺血［16］。
利用基因工程技术敲除αGal抗原在很大程度上解决了异种器官移植中的HAR问题。而后续发展的GGTAl/CMAH/β4GalNT2三基因敲除（TKO）策略已经在异种移植相关亚临床、临床试验中被广泛运用。以本单位实施的猪 - 脑死亡病人肝、肾移植为例，该策略有效降低了免疫排斥反应，提高了移植器官的存活率和功能表现［17］。尽管如此，现今的基因敲除策略仍存在一些问题：（1）虽然触发初始补体激活的αGal、Neu5Gc 和 SDa抗原被敲除，补体系统仍可能通过其他途径被激活，导致凝血病的发生［18］；（2）当Neu5Gc表位缺失时，会暴露出第四种异种抗原，非人灵长类动物（NHP）对该抗原的排斥反应比人类更为强烈［19］；(3）SLA基因敲除虽然可降低人免疫球蛋白与猪细胞的结合，但却可能诱发免疫反应和病毒传播［20］。对于高度敏感的HLA受体而言，基因突变可能是更理想的手段［16］；（4）人类与NHP之间的基因组存在着差异，例如NHP具有人类基因组中所不存在的CMAH基因［21］。因此，异种移植学者仍需更深入地解析人和NHP基因组的差异，开发出最适用于人类的基因编辑策略。
免疫抑制药物的使用也是抗HAR/AHXR的重要手段。主要的免疫抑制药物包括糖皮质激素、钙调磷酸酶抑制剂、抗增殖药、各类单克隆抗体和多克隆抗体［16］。但目前在异种移植临床前、亚临床和临床试验中并没有统一的免疫抑制方案。近期有学者提出了一种基于抗胸腺细胞球蛋白、利妥昔单抗和 C1 酯酶抑制剂的诱导方案，以及抗CD154 单克隆抗体、雷帕霉素、甲泼尼龙和托珠单抗的维持方案，然而该方案是否适用于各研究中心仍未可知［22］。因此，免疫抑制方案的精确制定也是未来异种移植研究的重要方向。
2.1.2 细胞介导的排斥反应 由于物种之间存在受体不相容性，实体器官的异种移植还将触发ACXR。其主要由T细胞介导，涉及先天性和适应性免疫反应。在先天免疫方面，研究表明人类自然杀伤（NK） 细胞在移植后将迅速浸润移植物。现今可通过基因工程在猪细胞上表达抑制性配体，如 HLA-E 和 HLA-G，以抑制异种移植中 NK 细胞反应［23］。另一方面，异种移植的适应性细胞反应主要由T淋巴细胞介导［24］。目前可通过利用αCD8和αCD4单克隆抗体以消耗 T 细胞的诱导治疗和利用CD40/CD154 共刺激途径阻滞剂的维持治疗抑制ACXR［25］。
联合胸腺移植也被视作克服 ACXR 的方案。在具备人类免疫系统的小鼠（HIS小鼠）中的研究已经证明了猪胸腺移植可实现人类 T 细胞耐受性［26］。而在临床领域，2021年，杜克大学开展了世界首例胸腺-心脏联合移植，术后172d内病人胸腺组织以及心脏移植物功能均正常［27］。当前，在肝脏异种移植中尚未尝试胸腺联合移植，该方案或许可以提高免疫耐受性，减少对抗排斥药物的依赖，提高病人存活率和预后。
2.2 生理兼容性 生理学差异是影响异种移植物存活的另一个主要障碍。猪与灵长类动物的血液学参数大不相同，例如猪的红细胞、白细胞和血小板计数均高于 NHP 和人类，但总体血红蛋白水平较低［28］。物种间的生理学差异进一步影响了凝血功能。在异种移植中，NHP循环血中的抗体和补体可将猪内皮细胞从抗凝表型转化为促凝表型，进而造成移植物内血管破坏和免疫细胞浸润。同时，受体和供体来源的组织因子（TF）都有助于外源性凝血级联反应的激活 ［29］，导致广泛的微血栓形成。而灵长类动物和猪凝血系统之间的分子不相容性更增强了这一过程：猪的组织因子途径抑制物（TFPI）不足以抑制灵长类动物的 Xa 因子，并且不能有效地阻止主要 TF的激活；即使在没有剪切应力的情况下，猪血管性血友病因子（pvWF） 也会自发聚集并通过 GPIb 受体激活灵长类血小板 ［30］，从而引发凝血病。
目前，利用基因修饰技术在供体猪中表达 hTBM 已成为克服凝血病最重要的方法之一。表达 hTBM 的猪主动脉内皮细胞能够显著抑制凝血酶原活性，避免血小板聚集，从而延迟人血浆凝固时间 ［31］。有一项关于猪-狒狒的心脏移植研究结果表明，hTBM的表达被可以显著延长移植物的存活时间［32］。近期马里兰大学医学中心实施的开创性猪心脏移植手术［14］以及清华大学长庚医院合作完成的猪-人肝肾联合异种移植［4］，也均采用了hTBM表达的供体猪，以避免术后凝血病的发生。此外，抗凝药物在克服异种移植凝血病方面也发挥着重要作用。常见的抗凝药主要包括肝素、直接口服抗凝剂（DOACs）如利伐沙班、阿哌沙班等。然而现有的抗凝药物策略目前仍面临诸多挑战。例如，猪和灵长类动物的药物代谢酶系统存在差异。以猪 - 人肝脏移植为例，由于抗凝药物在猪肝内的代谢过程与在人体内的代谢过程不同，药物的抗凝效果和安全性会有所影响。未来的研究需要着眼于探索具有更高效力、更低副作用且能精准调控凝血系统的新型抗凝药物，以更好地满足异种移植临床应用的需求。
在生理兼容性问题中，器官大小不匹配所导致的不良后果也引起了广泛关注，如血流动力学紊乱、器官功能衰退等。在纽约大学报道的2例心脏移植病例中［9］，其中1例病人在术后 24 h出现乳酸升高、血压降低和心脏功能衰退的情况，究其原因是受体和供体心脏大小不匹配，进而造成移植物组织灌注不足。并且，猪的器官被植入人体后，会因受到人体微环境的影响而出现过度生长，这将进一步增加血流动力学紊乱的风险［33］。目前有两种策略可抑制异种器官的生长：一是利用基因编辑技术敲除生长激素受体基因，培育出生长速度受控的猪［34］；二是选择体型较小的微型猪作为供体［34-35］。另外，有学者认为使用雷帕霉素和断绝类固醇治疗也可能有助于减少心脏过度增生［36］。在一项猪-NHP心脏移植研究中，还观察到移植后心脏出现向心性肥大和左心室流出道阻塞的现象［37］，其原因可能是NHP和人类的全身血管阻力及平均血压均显著高于猪。因此，在临床实践中还需严格控制血压，以避免移植后心脏因肥厚而导致功能过早衰竭［36, 38］。综上，除了注意移植后的出凝血问题外，还应采取综合疗法来限制移植器官的生长和肥厚。
2.3 跨物种感染 猪病原体的跨物种感染也是异种移植后不可忽视的问题。Groenendaal 等［39］汇编了一份所有已知的感染猪的生物体清单。该清单报告了美国猪中254 种潜在病原体，包括108 种病毒、75 种细菌、59 种寄生虫、11 种真菌和 1 种朊病毒。其中一些病毒被认为具有物种特异性，比如猪巨细胞病毒（PCMV）和猪圆环病毒（PCV）［40］。这些病毒虽然不会感染人类细胞，但会在免疫抑制的NHP体内的异种移植物中增殖，并可能导致移植物功能障碍、移植物排斥反应、凝血病或其他综合征［41-43］。猪内源性逆转录病毒 （PERV） 是当今被关注的焦点。几乎所有猪都携带这种病毒，然而其对人类的潜在致病性仍不清楚［44］。虽然目前已经制定了控制病毒传播的方案，但从目前来看，异种移植仍存在人畜共患病传播的风险。特别是由于免疫抑制剂的使用，病毒可能会重新被激活。例如在马里兰大学医学院进行的首次心脏异种移植中报道了猪心脏中潜伏的 PCMV/PRV 病毒再度激活的情况。在该病例中由于病毒的再度激活，细胞发生裂解，进而造成剧烈的内皮损伤，最终导致移植物功能出现障碍［45］。
大多数猪病毒、细菌和真菌可以通过选择阴性供体动物、在无菌和隔离条件下繁殖、早期断奶和胚胎移植来消除 ［46］。然而，这些策略难以消除PERV。因为 PERV 以多个拷贝整合到猪基因组中，并且 PERV 前病毒的数量因猪的品种和器官而异，从 1 个到>100 个不等［47］。2017 年，Yang等［48］利用CRISPR/Cas9技术繁育了PERV 灭活的供体猪，为消除异种移植中 PERV传播的风险提供了新策略。然而，尚不清楚这些猪是否会再次感染 PERV。Godehardt 等人最近发现，经由 CRISPR/Cas9 技术对猪细胞系 PK15 进行PERV灭活处理后仍能产生不完整且受损的病毒颗粒。虽然在为期55d的监测期间内，突变的 PK15 细胞不会再被 PERV 感染［49］，但55d后再感染的风险尚未可知。最新的研究揭示奥克兰猪的基因组中逆转录病毒基因拷贝数较少，且不携带风险最大的 PERV-C 病毒［50］。除了使用PERV灭活供体外，还需持续监测病毒的复制以及传播。监测方法包括遵循 FDA 等指导文件进行微生物特异性检测，以及采用先进的无偏倚宏基因组测序［51］。然而现阶段这些方法尚未经过验证或者获得批准，且用于临床成本比较高［52］。目前在监控跨物种感染方面可以做的工作主要是对出现感染迹象的受者采取血培养、放射学和侵入性检查，以及系统保存检测样本、实施严格感染控制等措施。今后，随着临床数据不断涌现，感染监管和控制指南也将得到相应的发展。
2.4 社会和伦理 随着近期异种移植的曝光度持续增加，公众的接受度也逐渐上升。在最近的一项研究结果中，我国公众对异种肾移植的接受度达到了71.3%。而在 482 例肾移植等待者群体中，异种肾移植的接受度更是上升至 87.6%［53］。另一项研究结果表明，当异种移植与同种移植的效果相同时，有 42%~80%的病人能够接受异种移植［54］。尽管如此，异种移植大规模应用于临床之前还需要解决一系列伦理问题。首先是PERV等跨物种病毒传播的风险，其不仅涉及接受者个人，还可能影响到更广泛的人群，甚至在全球范围内引发疫情［55］。其次，为预防病毒传播，还需长期监测受体及其密切接触者，这与参与者的自主权和隐私权相冲突。此外，异种移植还涉及到对动物的利用和福利问题。具体而言，用于异种移植的动物需在严格管控的环境中生存，这极有可能对它们的自然行为及情感状态产生负面影响［56］。而且，异种移植技术的运用或许会进一步加剧现有的社会不平等状况。尤其是在资源有限的情形下，如何公平地分配异种移植器官已然成为一项至关重要的伦理议题［57］。为了有效解决上述问题，有必要制定清晰明确的伦理指南和完善的法律框架。一方面能够平衡公共健康需求与个人权利，另一方面可以确保用于异种移植的动物得到人道对待，最大限度地减少它们所承受的痛苦和压力［56］。同时，还应建立公正合理的分配机制，以保障所有有需求的病人都能平等地获得异种移植的机会［57］。笔者单位于近期牵头制定了《异种器官移植亚临床研究专家共识（2024版）》，在供体猪的选择、受者的选择标准、法律法规及伦理要求、试验终止时间的确定、家属知情同意制度脑死亡判定标准等方面提供了参考依据［17］。目前还需要在国际层面上对这些内容进行讨论和协调，以确保全球范围内的伦理标准和监管措施的一致性和有效性。
3 小结与展望
异种移植研究近年来发展迅速，取得了许多突破性成就。特别是基因工程技术的发展和新型药物的研发为解决异种移植中免疫排斥反应、凝血功能障碍和病毒感染等问题提供了新的助力。然而，异种移植仍面临诸多新问题和新挑战。展望未来，新型研究技术的发展、世界关注度的提高、临床试验经验的积累和法律法规的不断完善终将促成异种器官大规模的临床应用，为终末期疾病病人带来新的希望。
利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突
作者贡献声明 窦科峰负责拟定全文大纲和最终审阅，马先一负责初稿撰写，林智斌负责修改和校对全文
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（2024-12-03收稿）
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