2022年1月7日，一位57歲的心衰病人David Bennett，因為室顫導(dǎo)致心衰，需要心臟移植。但是，這位病人不太遵守醫(yī)囑，沒有很好地服藥，也沒好好地進行飲食控制，造成指標(biāo)反復(fù)的異常。所以他的主診醫(yī)生認為，證據(jù)顯示這樣的病人沒有資格去保護人類移植的心臟。如果把心臟移植給他，他不會很好地照顧和保護，就等于浪費了。所以，在美國心臟移植的等待名單上把他給去除了。

于是他進入到了一個非常危重的狀態(tài)，不進行心臟移植，他可能就要喪失生命。所以，馬里蘭大學(xué)的醫(yī)生就向FDA申請了一個特殊許可，把豬-狒狒心臟移植模型之后修飾好的心臟，就是豬的心臟申請給他做移植。所以，在廠家和醫(yī)生的一起配合下，在1月7日對這位病人完成了人類第一個豬到人的心臟移植，這是一個非常偉大的創(chuàng)舉，也是一個跨遠系的移植。

大家都知道，7000萬年前，我們和豬是共同祖先，通過7000萬年的進化，我們和豬之間已經(jīng)有了非常大的分離。700萬年前，我們和猩猩是共同的祖先，之后到了今天分離，這是一個什么樣的概念？我們和豬的基因應(yīng)該有15%~20%的差別，其中有幾個關(guān)鍵的差別讓豬到人的心臟移植非常艱難。

人體有46個染色體，豬有38個染色體，這是一個非常大的跨度，所以從豬的心臟到人是一個非常艱難的科學(xué)歷程，而且是一個非常重要的科學(xué)突破。它給我們一個什么樣的想象呢？也就是如果我們以后器官出現(xiàn)了問題，不管是心臟、肝臟、腎臟，甚至是一些細胞出現(xiàn)了問題。比如說1型糖尿病，都有希望通過豬或者無限資源擴張的供體來給我們提供零件，人類可能跨入到一個新的紀(jì)元，我們的健康就有了一個更好的保障。

科學(xué)奇跡背后的人和事

首先，我們看關(guān)鍵的技術(shù)是什么？這里邊包括的這個豬不是一般的豬，科學(xué)家對它進行了10個基因的修飾，其中敲掉了4個基因，移進去了6個人類基因。還有它的器官保存是在特殊條件下進行的。當(dāng)把豬的心臟取出來的那一刻，如果把它移植到另外一個受體上，包括狒狒的體內(nèi)，心臟跳得就沒勁了。研究顯示，在豬的心臟離開豬身體以后，細胞內(nèi)的線粒體就凋亡了。它需要一些特殊的保存方式，其中包括把糖皮質(zhì)激素和腎上腺激素放到保存液里持續(xù)地灌注。還有一個非常有意思的，保存液里含有毒品可卡因，可卡因融入到保存液里，就保證了豬的心臟在體外的健康狀態(tài)。另外，還需要有一個非常好的無菌設(shè)施。

我們看它敲掉了哪些基因？首先，跟大家介紹異種移植的概念。人到人或者豬到豬、大鼠到大鼠之間的移植叫同種異體移植（allogeneic）。比如，大鼠到大鼠的心臟移植，一般7天到10天出現(xiàn)排異反應(yīng)，心臟跳得越來越弱，最后就停跳了。并且發(fā)現(xiàn)它在2~4天之內(nèi)就出現(xiàn)了IgM、IgG抗體增加，之后大量的淋巴細胞、單核細胞浸潤到心臟里邊，進行非常強烈的排異反應(yīng)，叫做急性排異反應(yīng)，最后心臟跳動就停止了。

第二個叫近系異種移植（concordant），它是近系的親戚之間的跨種系移植，比如說倉鼠到大鼠、猩猩到人。如果把倉鼠心臟移植到大鼠身上，它4天就出現(xiàn)排異反應(yīng)，心臟停跳了，稱為亞超急性排異反應(yīng)。組織病理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)有大量的抗體攻擊心臟，沉積在移植的心臟內(nèi)。中性粒細胞，包括自然殺傷細胞這些非特異性免疫反應(yīng)馬上啟動，進入到心臟內(nèi)，對移植的心臟進行殺傷。之后就是細胞免疫，還有體液免疫的進入。

還有一個叫遠系異種移植（discordant），比如豬到人、豚鼠到大鼠。豚鼠和大鼠雖然長得有點像，但是它們的種系是非常遠的，就像豬到人一樣。我曾經(jīng)做過豚鼠到大鼠的心臟移植，眼看著移植的豚鼠心臟在大鼠身上跳了不到一個小時，就變成了一個巨大的血團或者血塊。組織病理看到整個血管內(nèi)皮細胞全部被打洞破壞，大量的補體以及凝血機制出現(xiàn)異常，隨后還沒有來得及發(fā)生急性排異反應(yīng)，就已經(jīng)出現(xiàn)了超急性排異反應(yīng)。

所以，跨遠系的種系是一個什么狀態(tài)？比如說猩猩、人和豬之間是遠系的，是一個共同祖先在幾千萬年前出現(xiàn)的。我們在自然界被細菌這一類低種系的生物感染，它們就在我們身體里誘導(dǎo)出來一些預(yù)先形成的抗體（pre-formed antibody）。當(dāng)這些遠系出現(xiàn)以后，我們的身體立刻可以識別，特別是啟動我們的抗體和補體系統(tǒng)在它們的細胞表面打洞，讓它們出現(xiàn)水腫，出現(xiàn)壞死。這也是為什么豬的心臟如果不經(jīng)過修飾，豚鼠的心臟不通過修飾，移植到人或者大鼠身上，它們的血管內(nèi)皮細胞就被我們打洞，之后出現(xiàn)了血栓，以及一系列超急性的破壞和排異反應(yīng)。

還有一種移植叫同種同體移植（syngenic），雙胞胎之間的移植就叫同種同體移植，他們的基因完全一樣，當(dāng)這種同卵雙胞胎移植以后，他們的器官是互相接受的，沒有排異反應(yīng)出現(xiàn)。還有一種叫純種大鼠，當(dāng)大鼠的兄妹交配20代以上，所有的基因都完全一樣了，說是純種大鼠。它們互相移植器官是永遠存活下去的，比方說從Lewis大鼠到Lewis大鼠，或者是Brown Norway大鼠到Brown Norway大鼠。這種無排異反應(yīng)的情況實際上成就了第一個諾貝爾獎。

大家都知道，在20世紀(jì)50年代初的時候，有這么一對兄弟，一個出現(xiàn)了腎功能損害，直到腎衰竭。另外一個兄弟是健康的，所以他就貢獻了一個腎臟。由麻省總醫(yī)院的整形科醫(yī)生Murray，給這個兄弟做了腎移植，成就了第一個腎移植。所以，他也在1989年的時候獲得了諾貝爾獎。

圖2 Joseph E. Murray

我們?nèi)撕腿酥g的移植是同種異體移植（allogeneic）。這里邊有一個非常著名的人物叫Starzl教授。他在1961年做了第一例人的肝移植，之后一直在尋找肝源。大家都知道我們現(xiàn)在的器官移植的主要障礙就是供體器官不足。雖然有了腦死亡，但是供體器官還是滿足不了我們終末期的器官衰竭受體的需求，所以很早就想用異種移植來代替人體的器官。

我也有幸在1992年參加了第一屆世界異種移植大會，是在英國劍橋大學(xué)召開的，Starzl教授等這些老前輩都參加了。當(dāng)時大家就辯論，猩猩作為近系移植的供體，是可以考慮給人提供器官的，但是動物保護組織堅決反對，而且猩猩之間的繁殖是一個非常緩慢的過程，比人的繁殖還復(fù)雜，它們還要建立一種感情才可以進行交配。全部的猩猩加在一起只可能提供70個器官的供體，完全不可能滿足我們?nèi)梭w的需求。

猴子體重太小，狒狒是一個選擇，但是狒狒非常的兇猛，而且狒狒身上的寄生蟲和病毒非常多，所以也不太容易作為一個供體的選擇。所以，當(dāng)時就提出來用轉(zhuǎn)基因豬。豬雖然有的重達三四百斤，但是豬在未成年時的器官大小和人的非常相似。而且豬在7000萬年前也算我們的親戚。

當(dāng)時，在劍橋大學(xué)和哈佛大學(xué)建立了兩個轉(zhuǎn)基因豬的工廠，主要的想法就是把豬細胞表面的半乳糖和多聚糖這個基因敲掉。多聚糖和半乳糖會導(dǎo)致出現(xiàn)超急性排異反應(yīng)從而妨礙移植。剛才跟大家講過這樣一個概念，就是在我們的進化過程中間，7000萬年前我們和豬是共同的祖先。再往后延續(xù)到了700萬年，我們和猩猩是共同的祖先，但是到了猩猩和人類的共同祖先這個階段，我們已經(jīng)出現(xiàn)了一個奇妙的變化。我們經(jīng)過很多的細菌感染，這些細菌的表面都帶有半乳糖以及多聚糖。我們的祖先就形成了這樣一個基因，就是pre-formed antibodies ，預(yù)先形成的抗半乳糖以及抗多聚糖的抗體。

這種抗體出現(xiàn)以后，我們會快速地識別，快速地結(jié)合并啟動補體系統(tǒng)，在這些細胞表面打洞，把它們給消滅掉了。它原來是一個防御系統(tǒng)，但是豬的器官表面含有這樣的半乳糖，我們?nèi)祟惖陌肴樘且呀?jīng)都消失了，變成抗半乳糖了。它們和細菌一樣攜帶這樣的抗原，就出現(xiàn)了超急性排異反應(yīng)。所以，我們必須要做什么？就是要把半乳糖和多聚糖的基因去掉，才有可能克服超急性排異反應(yīng)，把遠系的種系跨越變成近系的種系，同時用免疫抑制劑把它控制住。

我在第一屆世界異種移植大會上報道了一個近系器官移植研究，是用來氟米特控制倉鼠到大鼠的近系的跨種系的研究。倉鼠到大鼠的心臟移植的存活時間只有4天，我們用藥物的綜合治療去抑制了亞超急性排異反應(yīng)，同時也抑制了后面的急性排異反應(yīng)，所以存活時間最后突破了100天，當(dāng)時是一個世界紀(jì)錄。

但是如果用異種移植的話，可能會遇到一個更嚴(yán)重的問題，就是一個遠期的、50天以后發(fā)生的慢性排異反應(yīng)的血管損害。當(dāng)時Starzl教授、Roy Calne教授非常的感興趣，他們馬上要了一些產(chǎn)品，去試了他們的動物，也發(fā)現(xiàn)了同樣的效果。當(dāng)時《芝加哥論壇報》對我們的研究做了一個報道，Dr. Williams的隊伍，包括我的名字肖飛（Dr. Xiao），去做了這樣的一個突破性研究，讓異種移植向應(yīng)用跨進了一步。《芝加哥論壇報》是美國第二大報紙，周末版是200萬發(fā)行量，登一個中國學(xué)者的研究成果還是非常少見的。

之后，劍橋大學(xué)和哈佛大學(xué)都做了一些轉(zhuǎn)基因豬，他們試驗了腎臟移植，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個慢性排異反應(yīng)現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)豬身上有逆轉(zhuǎn)錄病毒基因，在人身上從來沒有發(fā)生過，移植上去以后，在免疫抑制劑的作用下，他們復(fù)活了，有這樣的跡象，所以好多的研究就擱置了。

Starzl教授在1993年報道了一個非常令人興奮的研究，他把狒狒的肝臟移植到了一個35歲的乙肝病人身上，他存活了70天，而且用了常規(guī)的抗排異反應(yīng)治療，結(jié)果沒發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的排異反應(yīng)，最后這個病人不是死于排異反應(yīng)，而是死于腦出血。當(dāng)時大家一片興奮，這也是一個巨大的突破，把狒狒的肝移到人身上存活了70天，但是后來發(fā)現(xiàn)這個病人除了肝炎以外，還有艾滋病。大家都知道艾滋病病人的免疫系統(tǒng)是缺陷的，所以沒有再繼續(xù)進行下去。

圖3 《芝加哥論壇報》報道的異種移植研究

這就是《芝加哥論壇報》報道的我們的一個研究成果，標(biāo)注了我的名字，當(dāng)時我們也非常興奮，我們特別關(guān)注異種排異反應(yīng)，而且取得了世界上一個突破性進展，所以我們堅信當(dāng)時的異種移植離我們越來越近了。

圖4 發(fā)表于《移植》雜志上的用來氟米特控制異種移植排異反應(yīng)研究

這是后來發(fā)表在《移植》雜志上的，以我為第一作者的一篇文章，用來氟米特控制倉鼠到大鼠的異種移植的排異反應(yīng)。

表1來氟米特（Lef）對異種移植存活率的影響

我們把最長的存活時間延長到了100天，而且平均存活時間創(chuàng)造了當(dāng)時的世界紀(jì)錄（表1）。這篇文章是在1994年3月15日收到的，結(jié)果在4月20日就被確定接受發(fā)表了，所以編者非常重視這個研究。后來我們又做了一個研究，我是第三作者，是我領(lǐng)導(dǎo)的隊伍做的，發(fā)現(xiàn)了和我們的慢性排異反應(yīng)進行對比，在倉鼠到大鼠的移植遠期，我們看到了血管內(nèi)皮增厚、平滑肌增生，特別是有大量的抗原抗體復(fù)合物沉積，所以發(fā)生了一個特有的慢性排異反應(yīng)。

我們當(dāng)時就給全世界的學(xué)者發(fā)出了一個信號，我們現(xiàn)在都重視的是超急性排異反應(yīng)和亞超急性排異反應(yīng)和急性排異反應(yīng)?，F(xiàn)在我們實際看到的遠期的一個問題是慢性排異反應(yīng)，所以今天還是給豬到人的心臟移植成功提個醒，也許它存活到一個月、兩個月、三個月以后，也會看到血管內(nèi)皮的增厚，平滑肌細胞的增生，血管的狹窄，最后出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的血管病變，慢性排異反應(yīng)就出現(xiàn)了，所以要做好這種準(zhǔn)備。

圖5 異種和異體心臟移植的組織學(xué)和藥理學(xué)研究

后來，我們又發(fā)表了一篇真正研究慢性排異反應(yīng)的文章，也是發(fā)表在《Transplantation》上（圖5），也是在兩個月之內(nèi)就接收發(fā)表了，我們也看到了在近系的或者是近親的大鼠之間的非急性排異反應(yīng)，出現(xiàn)了慢性排異反應(yīng)的現(xiàn)象，而且這個研究成果是被Starzl教授編寫的一本書中收錄了（圖6），我作為第一作者編寫了這個章節(jié)。

圖6 Starzl教授編寫的《IMMUNOSUPPRESSIVE DRUGS Developments in anti-rejection therapy 》，其中由肖飛編寫的章節(jié)。

豬到人的心臟移植手術(shù)是用什么樣的基因技術(shù)來修飾的呢？首先，它是用了一個叫基因剪刀的CRISPR技術(shù)，現(xiàn)在最先進的、非常精準(zhǔn)的技術(shù)。它敲掉合成半乳糖、多聚糖、N-乙酰神經(jīng)氨酸和生長因子的四個基因。半乳糖和多聚糖是預(yù)先存在的抗體，會摧毀我們的細胞。所以必須把它們的基因敲掉，在胚胎階段，科學(xué)家就把產(chǎn)生半乳糖和多聚糖的合成酶基因給敲掉了，另外還敲掉了一個生長因子的基因。大家都知道，我們?nèi)说捏w重一般最多是80公斤。但是豬可以達到200公斤，所以豬的心臟到了人體的環(huán)境下，我們的生長激素讓它再長大，可能就把我們的胸腔擴張到無法使用的狀態(tài)了，所以把生長因子的基因給敲掉了。

還轉(zhuǎn)入了6個人類基因。分為三大類基因，第一個是把人類的補體調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)進去了，包括CD59基因、CD55基因、CD46基因。我們?nèi)梭w來調(diào)節(jié)自身的補體，不要去針對基因修飾的豬的心臟進行破壞。還有一個免疫調(diào)節(jié)基因，包括最重要的CTLA4-Ig基因，它可以誘導(dǎo)免疫耐受。還有一個最重要的人體抗凝血基因。因為移植后會出現(xiàn)內(nèi)皮細胞破壞，血管出現(xiàn)血栓，凝血出現(xiàn)問題，所以抗凝血基因也轉(zhuǎn)進去了。

所以，它總共進行了10個基因的修飾，包括了4個基因敲除和6個人類基因轉(zhuǎn)入，主要目標(biāo)就是避免超急性排異反應(yīng)的抗體識別，同時要去調(diào)節(jié)我們的補體，讓它反應(yīng)弱一點，不要去破壞剛移植進去的豬的心臟。還有一個就是免疫調(diào)節(jié)的基因轉(zhuǎn)進去，讓它免疫反應(yīng)弱一點，還有一個抗凝血的基因。當(dāng)10個基因修飾好了以后，把豬的心臟取出來，放到一個8℃左右的保存液里。保存液里放入了腎上腺素、糖皮質(zhì)激素，主要是保持它的活性和抗炎，還放入了可卡因，可卡因可以延長供體豬的心臟的存活概率，所以移植進去以后，我們的受體就可以去接受，而且很好地去保護心臟的功能了。

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