异种肾移植的临床研究进展

陈玲，成家友，邱涛，王天宇，盛梦丹，唐艳，李金珂，周江桥（武汉大学人民医院器官移植科，湖北 武汉 430060）

血液透析是终末期肾病患者维持生命的重要方式，但这种治疗方式会严重降低患者的生活质量，肾移植是治疗终末期肾病的最有效手段，能极大程度上改善患者的生存质量和生存率，但由于受到供肾资源短缺的限制，中国每年在分配系统中等待肾移植的患者约有10 万余人，仅有3%的患者能够成功配型并接受肾移植手术。目前，通过使用血型不相容以及扩大标准的边缘供肾等策略在一定程度上改善了肾源短缺这一现状，但仍无法满足患者对于供肾的需求，因此供需之间的巨大差异是临床亟需解决的难题。

1 异种肾移植的发展

面对全球范围内供肾资源短缺这一难题，异种肾移植作为最有可能改善这一现状的解决方案逐渐被提出［1］。简单来说，异种肾移植就是把一个物种的肾脏移植到另外一个物种体内。目前异种肾移植均使用非灵长类动物（non-human primates，NHPs）作为供肾来源［2］。异种移植起源于17 世纪，最初的行为是羔羊向人输血，从而提出异种输血［3］，随着Alexis Carrel 教授开创了血管吻合技术，在20 世纪初期便开始在非灵长类动物中尝试进行器官移植。由于NHPs 的生长发育更接近于人类［4］，因此研究者在1920 —1990 年不断进行肾脏、心脏和肝脏的异种移植试验，但伦理、器官大小、物种间出现的感染等因素成为异种移植的最大障碍。1905 年，法国医生Princeteau 进行了世界第1 例异种肾移植手术，他将兔的肾脏移植到1 例终末期肾脏病的儿童体内，但在术后第16 天发生了排斥反应，该例患者死于肺部感染。此后，世界各地的研究者逐步加入到异种肾移植的研究当中［5］。1906 年，法国的Jaboulay 教授首次将猪的肾脏移植给1 例慢性肾功能衰竭患者，置于患者肘窝，术后有尿液产生，但在术后第3 天肾血栓形成，导致移植手术失败，这是最早被记载的临床异种移植试验。而后诸多医生均进行了不同尝试，但均以失败告终［6］。随着器官免疫排斥反应和环孢素A 的发现，科学家于1954 年成功实施同种异体肾移植，使得异种肾移植重新成为研究热点［7］。1964 年美国医生Reemtsma成功完成第1 例异种肾移植，是将黑猩猩的肾脏移植到1 例终末期肾病患者体内，该例在使用免疫抑制剂后存活9 个月。由此认为异种肾移植存在长期存活的可能性。1964 年Starzl 教授实施了6 例狒狒的肾脏移植给慢性肾衰竭患者的手术，最长的受者带功存活98 d［8］。尽管黑猩猩和狒狒与人类血缘较近，但它们身上存在一些人类的易感病毒，因此并不是异种肾移植最理想的供者。由于当时没有有效的免疫抑制剂，因此可能前期临床异种肾移植手术的失败均与排斥反应密切相关，目前异种肾移植的临床实践虽较前有明显进步，但距离我们最初的期望仍有较大差距。

2 临床异种肾移植的优势与供者选择

对于同种异体肾移植而言，异种肾移植的潜在优势在于供体器官来源可以无限供应，极大程度上解决了供体器官短缺的难题［9］。供体来源感染一直是影响移植物和受体存活率的高危因素，异种供肾因其供者从出生开始便会被安置在特定无病原体、生物安全条件下，并且定期监测，因此不含有外源传染性微生物，从感染角度来看大大优于公民逝世后器官捐献供者，避免了供体来源感染的问题。对于边缘供肾来说，尤其是糖尿病控制不佳或患严重外周血管或脑血管疾病的供者，常规肾移植术后会严重影响受者和移植肾的远期存活，选择异种肾移植将极大程度上解决这一问题，在规律服用抗排斥药物的基础上，将更有利于受者和移植肾的远期存活。其次使用异种供肾也降低了临床脑死亡供者对移植肾的不利影响（尤其是低血压）。现阶段，研究最多的主要有猴、猪、狒狒等动物。但由于多种原因，猪是进行基础与临床研究最多且最具应用前景的动物［9］，它拥有繁殖能力强、繁殖数目多、成熟周期短、饲养成本低、器官大小与人类相仿、主要生理指标与人相似、易于进行基因工程等优势［10］。此外，猪并非保护级动物，因此涉及到的伦理学障碍也相对较少。

3 基因工程在异种肾移植中发挥关键作用

人体免疫系统具有完善的防御机制，由于猪和人之间的系统发育差距较大，供受体之间的分子不相容，导致异种肾移植后出现一系列免疫并发症，导致异种移植发生排斥反应。异种肾移植会触发受体的免疫反应［11］。目前，异种肾移植的实施一般遵循两种方式，一是将猪本体的异种抗原删除，二是在猪体内插入保护性人类基因以对抗人免疫系统产生排斥反应。排斥反应类型按照异种肾移植排斥的机制和时间分为：超急性排斥反应、急性细胞排斥反应和慢性排斥反应。其中研究最多的即为超急性排斥反应。若无特殊处理的供肾进行异种肾移植时，术后几分钟内就会出现超急性排斥反应，并可导致移植失败。

异种肾移植也存在较大的分子差异，包括天然抗体、补体、NK 细胞和巨噬细胞。异种移植的免疫屏障比同种异体移植的免疫屏障大得多。在异种移植的研究中，大多数移植失败与凝血功能障碍密切相关。凝血是一个复杂的过程，它涉及血小板、凝血因子、内皮细胞和其他血细胞之间的相互作用。血小板活化是异种肾移植中血栓形成的主要因素。血小板可以被抗体、补体和许多分子激活，包括组织因子诱导的凝血酶、胶原蛋白、血管性血友病因子和二磷酸腺苷。此外，猪和灵长类动物之间的分子不相容性也会导致血栓形成。为了克服这一关键障碍，猪的基因编辑以及药物治疗有望解决异种肾移植中发生的凝血障碍。

目前有3 种猪抗原较为明确，其中α-1，3-半乳糖（α-1，3-galactose，Gal）是猪体内第1 个被敲除的异种抗原［12］，它是在猪细胞中的α-1，3-半乳糖基转移酶（α- 1，3-galactosyltransferase，GGTA1）的催化下合成，Gal 可导致超急性排斥反应发生，Gal 在大多数哺乳动物中高度表达，但在人类中无表达。人体内存在着大量针对Gal 表位的抗体，因此当猪的肾脏移植给人时，预存的抗-Gal抗体识别Gal 表位，导致猪肾脏中的血管内皮细胞被破坏［13］。一个更有效的策略是敲除猪GGTA1 基因（GGTA1-KO），这是异种移植领域的一个里程碑事件［14］。有报道称，使用GTKO 猪作为供体，狒狒的心脏或肾脏移植存活显著延长［15］。GGTA1 基因敲除后几乎完全消除了Gal 介导的超急性排斥反应，因此可以作为进一步基因操作的基础［16］。研究指出［17］，CMAH 基因编码所产生的酶催化生成的N-羟乙酰神经氨酸（Neu5Gc）是导致异种移植排斥反应的重要非半乳糖抗原，CMAH 基因的表达能够引起异种移植的免疫排斥反应［18］。β4GalNT2 基因编码的酶能够催化Sd（a）血型抗原，当猪的肾脏移植到人类受者后，该基因能够被免疫球蛋白结合，从而引起排斥反应。在最新的临床研究中［19］，证实了敲除编码合成碳水化合物异种基因（GGTA1、β4GALNT2、CMAH）后，可以防止人类受体产生超急性排斥反应［20］。转基因猪作为异种肾移植的首选供体已经有大量报道，并且最新研究表明，转基因猪的肾脏移植正从基础实验转向临床试验［21］。

4 异种肾移植的临床试验

自1990 年以来，大量研究者一直尝试使用转基因猪作为异种肾移植的主要来源。2015 年之前，使用猪-NHPs 行异种肾移植维持生存期仅有几个星期，最长报道的生存期仅为90 d［22］。未经基因修饰的野生型猪的肾脏移植给NHPs 后，NHPs 几分钟之内便会出现超急性排斥反应，但在基因工程猪出现之后，超急性排斥反应发生率得到逐步降低。2021 年10 月，纽约大学朗格尼健康中心对1 例有肾功能障碍迹象的女性脑死亡患者，在其撤除生命支持前进行了首例异种肾移植的人体试验，术后几分钟便有尿液排出并且血肌酐达正常水平，54 h 后终止该实验，猪肾在恢复血流期间并未出现超急性排斥反应，这标志着异种肾移植的临床试验成功实施。该供肾来自美国联合治疗公司的子公司Revivicor 设计的“GalSafe”猪，它通过基因工程敲除掉猪细胞表面可导致人体对猪器官产生快速排斥反应的Gal 基因。同年12 月，该中心的Montgomery教授使用基因工程猪肾脏进行了第2 次异种肾移植，将一个缺少Gal 基因的猪肾脏移植到一个仅靠呼吸机维持生命体征的患者体内，术后肾脏即开始排尿，血肌酐水平恢复正常。研究者通过以上2 例人体猪肾移植的临床试验［23］，为异种肾移植的临床研究和基础研究增强了信心，为后面一系列异种肾移植临床试验的开展奠定了稳定基础。

5 猪肾异种移植的免疫抑制方案

免疫排斥反应、炎症和凝血功能障碍以及猪PERV 的异种传播风险，阻碍了猪到人的异种肾移植［24-26］。近年来，随着基因组工程技术和强效免疫抑制药物的快速发展，这些障碍可以通过对猪基因进行基因改造以及使用有效的免疫抑制剂来消除。大多数方案与临床同种异体肾移植中使用的方案相似，包括耗竭T 细胞的有效药物，例如抗胸腺细胞免疫球蛋白 （anti thymocyte immunoglobulin，ATG），也包括耗竭B 细胞的药物，例如抗CD20 单抗。然而使用常规免疫抑制方案（例如他克莫司、雷帕霉素、皮质类固醇）在异种肾移植中效果欠佳［27］。除了对供体猪进行基因编辑外，对受体进行免疫抑制治疗也是异种肾移植成功的必要条件。T 细胞共刺激阻断剂（如抗CD154 单抗、抗CD40 单抗）疗法最初由Buhler 等［28］于2000 年引入，在异位和原位心脏移植模型以及生命支持肾移植模型中使用基于共刺激或基于常规药物方案的经验表明，增加了移植物存活率［29］。但抗CD154 单抗具有易于形成血栓的特性，用于临床治疗的可能性较小。所以认为共刺激阻断剂可能是异种肾移植免疫抑制方案中的关键药物［30］。

然而随着3 种关键抗原表达的敲除，常规的免疫抑制疗法得到继续探索，同时在免疫抑制方案中可以增加IL-6 进行抗炎辅助治疗［31］。一项研究回顾了Tregs 在异种移植中的潜在作用，并注意到越来越多的证据表明 Tregs 能够抑制异种T 细胞反应以及NK 和B 细胞活化。研究者认为使用允许Treg扩增同时控制T 效应细胞增殖的免疫抑制药物非常重要，靶向的CD154/CD40 通路在这方面是有益的［32］。T 细胞和引发的抗体反应可以通过目前可用的生物和/或药理学试剂来预防。特别是通过低剂量药物治疗增强的基于共刺激阻断的方案（不包括抗CD154 单抗）已显示出令人满意的疗效。

6 小 结

异种肾移植是解决当前供肾资源短缺最有前景的方式，但其安全性和存活率仍限制人类异种肾移植的发展。从美国最近报道的2 例异种肾移植人体试验来看，对猪的基因组进行基因修饰可有效降低排斥反应的发生。到目前为止，已经生产出多种转基因猪，包括针对免疫排斥反应、炎症、凝血功能障碍和 PERV 跨物种传播的改良型供临床试验使用，相信异种肾移植在不久的将来会取得显著的研究成果。