理解器官拒绝:免疫障碍

器官排斥仍然是移植医学的核心挑战。 当移植器官植入时,接受者的免疫系统会识别非自身分子 — — 主要是在捐献细胞上表达的人类白细胞抗原 — — 并产生破坏性反应。 这一过程可能是快速的(在几分钟内因原已存在的抗体而出现)或延迟的(由T细胞调解急性细胞排斥,持续炎症和纤维化驱动的长期拒绝 ) 。 即使经过精心的捐献者和接受者的HLA匹配,人类的基因多样性也意味着完美的匹配是罕见的。 终生依赖免疫抑制药物来管理排斥,会产生严重的副作用,包括增加感染、恶性疾病和代谢功能失调的风险。 基因编辑提供了一个替代方案:我们不是广泛抑制免疫系统,而是可以修改捐献器官或接受者的免疫细胞,以便在分子层面产生免疫兼容性。

移植中的基因编辑技术

CRISPR-Cas9的出现使基因组进行精确,定向改变的能力发生了革命性的变化,然而移植研究也采用了基础编辑器(在不引入双弦断裂的情况下改变单个DNA基)和主编辑器(可以插入小序列)等较新的工具. 每个平台都有优点: CRISPR-Cas9对基因突袭是高效的,而基础编辑器则减少了非目标内涵的风险. 在器官兼容性方面,这些工具被用于删除或修改编码免疫性上皮或插入促进免疫耐受性的的基因.

编辑捐助机构:创建通用工具

一项很有希望的战略是,对接受者免疫系统“隐形”的捐献器官进行工程。 对于人体器官来说,研究人员正在探索将主要的HLA编码成临床安全的Xenotransplants的关键步骤。由于HLAs是由多种基因(HLA-A、HLA-B、HLA-C等)编码的,需要同时编辑。 2019年,哈佛的一个小组证明,可以使用CRISPR来删除猪细胞中的β2-microglobulin基因(这对HLA类I表达至关重要 ) , 这是生产临床上安全的Xenotransplants的关键步骤。 最近,研究的重点是猪转基因,以去除三种主要的糖抗原(α-Gal、Ne5Gc和Sd(a)),这些引起超急性的拒绝。 2022年,第一次猪对人心移植使用了一只猪,其基因编辑有四个基因切除猪抗原,加上六个人转基因(包括CD55、CD46和血模),从而减轻凝血压抗原,从而缓解了共作用。 尽管患者的“免疫抑制作用只有两个月

与此同时,研究人员正在研究编辑人类已逝捐献器官的方法。 在机器保存期间,通过将CRISPR溶液穿透器官,在移植前可能淘汰关键的HLA基因或引入保护因素。 这种方法避免了基因编辑的道德障碍,并允许器官库存储有限的一套HLA耗尽的移植。

修改受援者的免疫系统:工程容忍

另一种策略不是改变捐献器官,而是编辑受体自身的免疫细胞以容忍外来组织。 这一概念建立在既定技术的基础上,如骨髓移植以诱导混合的烟囱和耐受性。 与CRISPR一样,现在可以精确编辑T细胞以减少其对捐献者HLA的反作用。 比如,敲掉T细胞受体(TCR)成分或者删除特定的共受体,会使T细胞无法识别不匹配的HLA。然而,这种广泛的改变也可能损害保护性免疫。 更精细的方法是利用基因工程来创建能积极抑制排斥的调节T细胞(Tregs ) 。 临床试验正在使用CRISPR所编造的T细胞,这些细胞被重新定向以识别捐献者抗原并产生抗炎细胞。

另一个尖端概念是编辑受体的肝脏干细胞,使其产生与捐献器官相容的血细胞。 通过将捐献者HLA基因插入HSC,受体的免疫系统可以“再教育”接受移植为自我。 这种方法有时被称为免疫伪装,在肾脏和心脏移植的动物模型中显示出希望。 它还有可能减少或消除终身免疫抑制的需求,大大改善移植接受者的生活质量。

目前的研究和临床进展

该领域已经从板凳迅速转移到床边。 除了里程碑式的猪心移植外,基因编辑的猪肾在2023年被移植到脑死亡的人类接受者身上,显示正常功能,77小时没有超急性排斥的迹象。同时,使用CRISPR编辑免疫细胞的人类临床试验已经针对癌症(CAR-T细胞)和血液失调(囊细胞疾病)进行了。预计在未来两年内,CRISPR编辑的Tregs在移植过程中将在欧洲进行第一次临床试验,重点是肾移植接受者。FDA等监管机构已经发布了关于异性移植和基因编辑的指南,要求对非目标效应和动物感染进行严格的长期监测。最近发表的一份详细评论在 内核审查 (2024)中概述了目前基因编辑器官项目的管道,指出至少有5个生物技术公司正在开发供临床使用的通用的捐赠猪。

挑战和道德考虑

尽管有这一承诺,但仍然存在重大障碍。技术挑战包括:在固体器官中实现所有细胞的高编辑效率。只有部分细胞被修改的Mosaic编辑可以留下剩余免疫源顶部,引发拒绝。非目标突变虽然通过改进编辑工具得以减少,但仍有可能意外地导致非基因的激活或基本基因的丧失。在xenopration中,还存在将猪细胞内源性逆转录病毒(PERVs)传染给人类的风险。CRISPR被用于使猪细胞的细胞内源性逆转录病毒失效,但缺乏长期的安全数据。

转基因中的基因编辑在道德上引起了对公平和获取的担忧。 如果基因编辑器官成为高价疗法,它们可能会加剧富裕人口与服务不足人口之间的医疗保健差距。 此外,利用基因编辑来创造后代免疫兼容性的可能性仍然有很大争议。 国家科学院呼吁暂停可遗传人类基因编辑,以加强基因编辑,但基因编辑则占据灰色区域(比如让胎儿免疫系统能够容忍潜在捐献者 ) 。 公众的参与和监管监督对于确保负责任地应用这一技术至关重要。

未来方向

展望未来,基因编辑将有可能与其他技术相结合,为移植创造全新的框架。 从患者自己的细胞中产生多能干细胞(ipSC),与CRISPR结合,以创建普遍的捐赠线,可以提供无限的匹配组织。 研究人员已经从基因编辑干细胞中生长出小型器官(organoids),用于检验药物的兼容性。 与此同时,在输血方面的进步 — — 如脂质纳米粒子和具有增强扭矩性的病毒载体 — — 使得在接受者肝脏或肾脏的编辑 中可以允许在接受移植之前变得宽容。

最后,基因编辑、机器渗透和人工智能的融合将有利于个性化器官修复。 比如,捐献器官可以被扫描成基因不匹配,在低温输血过程中进行编辑,然后在植入前得到验证。 最终的愿景是,器官排斥是一种历史好奇心,移植不再受到捐献者短缺或免疫障碍的限制。 尽管挑战依然存在,但快速的创新速度表明基因编辑器官在未来十年内将成为临床现实。

进一步解读: 关于基因编辑器官的自然回顾(2024).xeno移植更新,参见FDA Xeno移植指导[. 关于利用CRISPR进行移植的临床试验的资料,可在临床检验学.gov (研究“CRISPR移植”).