豬 3.0 來了！明星女科學家楊璐菡領銜，首個臨床異種器官移植雛形誕生

人體移植器官嚴重短缺，那麼是不是可以將動物器官移植到人體？

據說，早在 300 多年前，一位名為 Job Janszoon van Meekeren 的阿姆斯特丹外科醫生在修補一名士兵的頭骨時，就使用了一塊狗骨頭。這之後，科學家們也在兔子、黑猩猩、豬、老鼠身上做過嘗試。

2017 年，被譽為是「基因剪刀手」的哈佛大學和美國 eGenesis 公司異種器官移植課題帶頭人楊璐菡領銜其團隊，克隆出世界首批 PERV 活性滅活豬。當時，其研究成果登上 Science 封面。

時隔 3 年，楊璐菡再次領銜團隊，將 CRISPR-Cas9 和轉座子技術相結合，做出了有望用於臨床的異種器官移植的雛形，實現了異種器官移植的又一重大突破。

異種器官移植：從 1.0 到 3.0

器官移植的概念大家已經不陌生了，但何謂「異種器官移植」？

其實，異種器官移植是指向人體移植非人類器官，這種技術目的在於緩解人體移植器官的短缺問題。

異種器官移植兩大難題

由於部分豬體內器官的大小、功能與人類相似，因此科學家們將關注點放在豬器官上面，但潛在的挑戰有以下兩個。

一方面，豬基因組中攜帶有豬內源性逆轉錄病毒（Porcine Endogenous Retroviruses，PERV），這些病毒可能會傳播給人類，並可能造成破壞性後果。

如下圖所示，楊璐菡團隊對感染 PERV 的細胞 i-HEK293T-GFP 的種群和克隆中的 PERV 拷貝數進行為期長達 4 個多月的觀察後，發現 PERV 拷貝數會隨時間增加。

如下圖所示，楊璐菡團隊甚至檢測到，即便是沒有與豬細胞的接觸史，HEK293T 細胞中也有 PERV 元素的存在。

如果說第一張圖證明了「豬傳人」的可能性，那麼第二張圖就意味著這種病毒還可以「人傳人」。

另一方面，豬移植器官與人體之間會出現免疫和生理分子不相容的情況。

也就是說，要想推進異種器官移植技術的發展，最起碼要解決這兩大難題。

豬 1.0 解決第一大難題

2017 年 9 月 22 日，楊璐菡團隊的論文發表於 Science，宣布解決了第一項難題——豬內源性逆轉錄病毒（PERV）跨物種傳播。

具體來講，團隊使用 CRISPR-Cas9 技術，滅活了豬原代細胞系中的所有 PERV 病毒，又通過體細胞核轉移培育出了世界首批 PERV 活性滅活豬，也就是「豬 1.0」。

下圖 A 部分為出生兩天後的 PERV 滅活小豬的照片。

B 部分展示了在基因組 DNA 水平上 PERV 的失活。團隊對不同年齡（最大 100 天）的 PERV 滅活豬進行了基因分型，所有接受檢查的豬均表現出約 100％ 的 PERV 滅活率。

C 部分展示的是，在 mRNA 水平，所有豬均表現出約 100％ 的 PERV 根除率。

正如楊璐菡團隊所說：

「豬 1.0」不僅有利於提升對 PERV 的認識，也為豬到人的異種移植提供了更為安全的器官和組織來源。

豬 2.0 解決第二大難題

2018 年 10 月的一次研討會上，楊璐菡團隊的「豬 2.0」重磅公布，此次該團隊解決了第二項難題——器官移植免疫排斥問題。

楊璐菡團隊利用 CRISPR，首先敲除了部分免疫反應的基因，再插入抗免疫反應基因，並對部分調節凝血反應的基因進行編輯，從而解決了免疫排除問題。

當時，該團隊表示希望將免疫反應進一步減小，最終實現免疫反應的完全消除。

豬 3.0 實現重大突破

解決了兩大難題之後，「豬 3.0」也誕生了。

2020 年 9 月 21 日，楊璐菡團隊題為 Extensive germline genome engineering in pigs（大規模的豬種系基因組工程）的研究成果發表於《自然》子刊《自然·生物醫學工程》。

在這一論文正式發布之前（2019 年 12 月），該團隊曾在預印本網站 bioRxiv 發布了未經同行審議的版本，提前展示了兩隻 5 天大的豬 3.0 的照片。

這一次，團隊是將 CRISPR-Cas9 和轉座子（transposon）技術結合，證明所有 PERV 失活小豬都可通過基因工程來消除 3 種異種抗原、表達 9 種人類轉基因，從而增強豬器官和人類受體之間的免疫相容性、凝血相容性。

團隊表示，他們所編輯的 13 個基因和 42 個等位基因在 豬 3.0 的生理、生育和種系遺傳上均表現正常。通過體外試驗，來自豬 3.0 的細胞對人類體液排斥反應、細胞介導的損傷和與凝血失調相關的發病機制具有抗性。

因此團隊認為：

為提高豬與人免疫系統相容性而進行的大規模豬基因組工程，最終使實現安全有效的豬異種移植成為可能。

楊璐菡，何人也？

楊璐菡的經歷，可以說是非常亮眼。

2004 年，楊璐菡參加國際生物學奧林匹克競賽，榮獲金獎，從而被保送至北京大學生命科學學院。

2008 年，獲得了北京大學生物學和心理學雙學士學位的楊璐菡，在讀博期間師從「合成生物學之父」、哈佛醫學院基因組研究中心主任、著名遺傳學家 George Church，並獲得哈佛大學生物和轉化醫學博士學位。

2014 年，楊璐菡入選福布斯「30 歲以下 30 個科學醫療領域領軍人物」。

2015 年，楊璐菡和 George Church 共同創辦了名為 eGenesis 的生物技術公司，致力於推動異種器官移植臨床應用，她也是 eGenesis 的首席科學執行員。

2017 年，楊璐菡和老師 George Church 又共同創立了杭州啟函生物科技有限公司，希望解決人體移植器官嚴重短缺的問題。

同年，楊璐菡入選世界經濟論壇（World Economic Forum）評出的 2017 年度「全球青年領袖」。值得一提的是，2017 年度該榜單上的中國名字只有兩個，一是楊璐菡，另一個則是騰訊公司總裁劉熾平。

楊璐菡曾表示：

每一天，我們都在推進科技的極限。我們希望儘快讓醫學界了解到異種移植的可行性。

期待楊璐菡團隊未來在該領域的更多突破。

引用來源：

https://www.nature.com/articles/s41551-020-00613-9

https://science.sciencemag.org/content/357/6357/1303.full

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2019.12.17.876862v3.full.pdf

https://mp.weixin.qq.com/s/zPTVx9hONiba9gdiq2XVuw

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