Executive Summary
- 美国有超过 10 万人正在等待器官移植，而 2024 年仅进行了约 4.8 万例移植手术。随着全球人口老龄化，这一短缺预计将进一步加剧。异种移植（即从动物向人类移植器官和组织）已成为填补这一缺口最有希望的途径之一。
- 自 20 世纪初以来，人们就开始尝试利用猪、狒狒、黑猩猩、猴子和羔羊的肾脏、心脏和肝脏进行异种移植，但免疫排斥反应始终阻碍着长期成功。1960 年诺贝尔生理学或医学奖授予了彼得·梅达沃（Peter Medawar），以表彰他在移植免疫学方面的开创性工作，正是这些工作使现代移植技术成为可能。
- CRISPR-Cas 基因编辑技术彻底改变了该领域，使研究人员能够敲除猪的异种抗原、插入人类基因以提高相容性，并灭活猪内源性逆转录病毒。这促成了 2022 年至 2024 年间一系列突破性手术的开展，包括将猪心、猪肾以及猪肾-胸腺联合移植到活体人类受体中。United Therapeutics 公司的 UKidney 项目于 2025 年进入临床 1/2 期试验。
超过 10 万人 在美国等待器官移植。2024 年， 近 4.8 万例 器官移植手术得以完成。尽管这一数字代表了这些挽救生命的手术取得了令人瞩目的增长，但仍远低于总体需求。随着全球人口老龄化，可用器官与患者需求之间的这种失衡将持续扩大。
然而，来自动物供体的器官或许能成为解决方案。这种被称为异种移植的手术历史悠久，可追溯至 20 世纪初，但免疫问题和器官排斥反应曾阻碍了这些移植手术的成功。随着基因编辑技术，特别是 CRISPR-Cas的出现，研究人员越来越有能力解决免疫相容性问题。正如 2022 年至 2024 年间开展的几项 突破性移植手术 所见，他们正日益接近实现利用动物供体的心脏、肾脏及其他器官和组织进行人体移植的目标。这些创新可能为成千上万急需救命器官的患者带来新的希望。
什么是异种移植？
根据 美国食品药品监督管理局（FDA）的定义，“异种移植是指任何涉及将以下物质移植、植入或输注到人体受体内的医疗程序：(a) 来自非人类动物的活细胞、组织或器官，或 (b) 曾与非人类动物的活细胞、组织或器官进行过 离体（ex vivo） 接触的人体体液、细胞、组织或器官。”
医生们在 20 世纪初开始尝试异种移植，但直到本世纪中叶免疫抑制药物研发成功后，移植的成功率才有所提高。1960 年的诺贝尔生理学或医学奖 授予了 彼得·梅达沃（Peter Medawar），以表彰他在移植免疫学领域的开创性工作。
异种移植历史上的关键事件列表
按年份、尝试移植的器官、供体动物或事件以及参考文献列出。
- 1906年：肾脏，猪和山羊。
Rodger, D. and Hurst, D. J. Xenotransplantation 2022, 29, e12765 - 1910年：肾脏，猕猴
Unger, E. Berliner Klinische Wochenschrift. 1910, 47, 573-578 - 1913年：肾脏，猴子
Morel, L. and Papin, E. Biologie Médicale 1913, 11, 397 - 1923年：肾脏，羔羊
Neuhof, H. D. The transplantation of tissues 1923, 260 - 1963年：肾脏，狒狒
Hitchcock, C. 等人，JAMA 1964, 189, 934-937 - 1963年：肾脏，恒河猴
Reemtsma, K. 等人，Science 1964, 143, 700-702 - 1963年：心脏，黑猩猩
Hardy, J. 等人，JAMA 1964, 188, 1132-1140 - 1964年：肾脏，黑猩猩
Reemtsma, K. 等人，Ann. Surg. 1964, 160, 384-408 - 1970年：肝脏，狒狒
Bertoye, A. 等人，Lyon Chir. 1969, 222, 347-354 - 1971年：肝脏，狒狒
Pouyet, M. 和 Berard, P.，Lyon Chir. 1971, 67, 288-291 - 1974年：肝脏，黑猩猩
Starzl, T. 等人，Transplant Proc. 1974, 6, 129-139 - 1977年：心脏，黑猩猩和狒狒
Barnard, C. 等人，S. Afr. Med. J. 1977, 52, 1035-1038 - 1984年：心脏，狒狒
Bailey, L. 等人，JAMA 1985, 254, 3321-3329 - 1992年：心脏，猪
Czaplicki, J. J. Heart Lung Transplant. 1992, 11, 393-397 - 1992年：肝脏，狒狒
Starzl, T. 等人，《柳叶刀》（Lancet）1993年，第341卷，65-71页 - 1993年：肝脏，猪
Makowka, L. 等人，《移植》（Transplantation）1995年，第59卷，1654-1659页 - 1993年：肝脏，狒狒
Starzl, T. 等人，《免疫学评论》（Immunol. Rev.）1994年，第141卷，213-244页 - 1996年：心脏，猪
Jayaraman, K.，《自然》（Nature）1997年，第385卷，378页 - 2002年：α-半乳糖苷酶基因敲除（α-Gal KO）猪
Lai, L. 等人，《科学》（Science）2002年，第295卷，1089-1092页 - 2009年：尝试抑制猪体内猪内源性逆转录病毒（PERV）的复制
Shi, M. 等人，《抗病毒研究》（Antivir. Res.）2009年，第83卷，201-204页 - 2013年：CRISPR/Cas技术用于真核细胞基因编辑
Cong, L. 等人，《科学》（Science）2013年，第339卷，819-823页 - 2015年：利用CRISPR/Cas技术根除猪内源性逆转录病毒（PERV）
Yang, L. 等人，《科学》（Science）2015年，第350卷，1101-1104页 - 2017年：培育出无猪内源性逆转录病毒（PERV）的猪
Niu, D. 等人，《科学》（Science）2017年，第357卷，1303-1307页 - 2021年：将猪肾（基因修饰）移植至脑死亡人体受试者
Cooper, D.K.C.，《异种移植》（Xenotransplantation）2021年，第28卷，e12718 - 2021年：将猪肾（基因修饰）移植至脑死亡人体受试者
Porrett, P.M. 等人，Am. J. Transplant. 2022, 22, 1037-1053 - 2022年：将（基因编辑）猪心脏移植到活体人类受体中
Wang, W. 等人，The Innovation 2022, 3, 100223 - 2023年：将（基因编辑）猪心脏移植到活体人类受体中
Griffith, B.P. 等人，Nat. Med. 2025, 31, 589-598 - 2024年：将（基因编辑）猪肾脏移植到活体人类受体中
https://hms.harvard.edu/news/first-genetically-edited-pig-kidney-transplanted-human - 2024年：将（基因编辑）猪肾脏和胸腺移植到活体人类受体中
https://nyulangone.org/news/first-ever-combined-heart-pump-gene-edited-pig-kidney-transplant-gives-new-hope-patient-terminal-illness - 2025年：United Therapeutics 公司的 UKidney™ 临床试验即将开始
NCT06878560
CRISPR/Cas 技术的发展带来了新的进步，并促成了临床试验，2022年至2024年间报道了多例异种移植手术。我们对 CAS Content CollectionTMTM（全球最大的人工收录科学信息库）进行了分析，发现有关异种移植的出版物呈现持续增长趋势（见图 1）。
出版物数量在 2021 年达到顶峰，即在最新的基因编辑移植手术开始之前。期刊论文的主导地位和相对较少的专利数量表明，该技术距离广泛的商业化应用仍有很长的路要走，但相关研究依然保持稳定。
图 2 展示了异种移植研究中最常被研究和利用的动物物种。猪是目前此类研究的首选动物，正如我们将要看到的，猪器官在基因工程和移植领域取得了最大的进展。
猪成为异种移植首选动物的原因有几个，包括：
- 与人类的解剖学相似性（器官大小）。
- 与人类的生理学相似性。
- 由于易于繁育且繁殖迅速，成本相对较低。
- 相对容易进行基因改造且兼容性高。
- 人畜共患疾病的风险较低。
异种移植的障碍
异种移植器官可能面临多种类型的排斥反应：超急性排斥（几乎立即发生，在几分钟到几小时内）、急性排斥（移植后数周到数月内发生）以及慢性排斥（移植后数月到数年内发生）。
器官排斥由多种因素介导，包括先天性和适应性 免疫 （见表 1）。先天性免疫是 受控 由天然抗体介导，这些抗体能够结合并识别猪糖蛋白（通常称为异种抗原）。已鉴定出的部分异种抗原 包括 半乳糖-α-1,3-半乳糖（α-Gal）、N-羟乙酰神经氨酸（NeuGc）和 SDa。
自 20 世纪 90 年代以来，大量的 研究工作 致力于培育敲除这些蛋白质基因的猪，以避免超急性排斥反应。在猪体内敲除 α-Gal 被认为是异种移植领域的一项重要里程碑。近年来，三基因敲除（TKO）猪正变得越来越普遍。
表 1： 先天性免疫系统与适应性免疫系统的主要区别。
先天性免疫系统中其他在器官排斥反应中发挥作用的成分 包括 巨噬细胞和自然杀伤（NK）细胞。前者通过介导炎症（释放促炎细胞因子、活性氧等）和吞噬细胞在排斥反应中发挥作用。CD47 是一种在 T 细胞和 B 细胞等免疫细胞上表达的跨膜蛋白，它与巨噬细胞和 NK 细胞上表达的抑制性受体——信号调节蛋白 α（SIRPα）相互作用，从而抑制吞噬作用。猪 CD47 似乎无法像人类 CD47 那样与 SIRPα 相互作用，因此无法抑制吞噬作用。近年来，多项研究 探索了 在猪器官中表达人类 CD47 以减少器官排斥反应的可行性。然而，CD47 除了与 SIRPα 相互作用外，还具有许多其他功能，在猪器官中表达人类 CD47 可能会产生意想不到的后果。
与巨噬细胞类似，NK 细胞也可以直接或间接地导致器官排斥反应。和巨噬细胞一样，NK 细胞也 表达 其表面上的抑制性和激活性受体，这些受体通过与结合配体相互作用来调节其活性。HLA I 类分子与杀伤细胞免疫球蛋白样受体（KIR，一种 NK 细胞上的抑制性受体）的结合，被认为可以防止 NK 细胞的激活。
与先天性免疫不同，适应性免疫是通过 B 细胞和 T 细胞对接触到的外来物质产生反应而发生的。B 细胞 受体 是表达于B细胞表面的膜结合抗体，能够识别抗原并导致B细胞活化及免疫反应。一篇2012年的文章 报道了 通过在免疫抑制方案中加入针对CD20（一种表达于B细胞表面的蛋白质）的抗体，将猪心脏异种移植物在狒狒体内的存活时间延长了2.5倍。其他人也曾报道，将针对CD40（一种存在于B细胞、巨噬细胞及其他免疫细胞表面的细胞受体）的抗体与其他免疫抑制剂联合使用，以 延长存活时间 猪胰岛异种移植物在非人灵长类动物体内的存活。
T细胞是另一种类似于B细胞的白细胞，但T细胞会在胸腺中经历进一步的发育和成熟。在共刺激分子的存在下，T细胞受体（TCR）与抗原呈递细胞上的主要组织相容性复合体（MHC）相互作用，从而使T细胞活化， 触发 一系列复杂的细胞内信号传导级联反应，并产生T细胞亚型。
证据 表明 在猪到人的异种移植中，被称为猪白细胞抗原（SLA）的猪MHC分子会与人类T细胞上的TCR结合，从而引起活化并导致免疫反应。目前，相关研究正致力于培育SLA表达降低的供体猪，以减少T细胞的活化。
除了免疫反应介导的器官排斥外，炎症和凝血功能障碍也是成功进行异种移植的主要障碍。肝脏在许多凝血因子的合成中起着关键作用。虽然人类和猪的凝血系统存在相似之处，但根本性的 差异 也导致了凝血不相容和出血并发症。
炎症被认为是一种 正常的 生理反应，在接触有害刺激时产生，并在刺激消除后减弱。然而，越来越多的证据表明，异种移植后可能会 发生 全身性炎症，且这种全身性炎症反应 起到了推波助澜的作用 与凝血和免疫反应相关的问题，所有这些都会导致异种移植物/异种移植失败。
考虑到 复杂的相互联系 炎症系统与凝血系统之间，控制全身性炎症可能有助于减少凝血功能障碍，从而有助于延长异种移植后的存活时间，无论是通过使用抗炎药物，还是通过在供体猪体内表达血红素加氧酶-1 (HO-1) 等具有 抗炎作用 的蛋白质。
最后，据报道，猪内源性逆转录病毒 (PERVs) 和猪巨细胞病毒 (PCM) 等病毒 已被报道 会在异种移植试验和实验中跨物种传播，包括传播给人类。近期一次异种移植失败的 潜在 促成因素可能就是对潜伏的 PCM 产生的反应。
这些挑战证明了异种移植的复杂性，也解释了为什么基因编辑在该领域展现出如此巨大的前景。
为什么 CRISPR 可能是异种移植成功的关键
CRISPR（成簇的规律间隔的短回文重复序列）是细菌防御机制的一部分，是一项具有革命性的基因编辑技术，其 首个基于 CRISPR/Cas9 的疗法Casgevy 已于 2023 年获得美国 FDA 批准 。
在异种移植背景下，CRISPR/Cas 技术的主要应用途径包括：
- 敲除猪体内编码抗原蛋白的基因，其缺失有助于克服超急性排斥反应，并总体上降低异种移植器官的排斥反应。
- 通过表达人类转基因，提高移植供体器官的免疫相容性。
- 通过消除与人畜共患病（如 PERV）相关的基因，降低其传播风险。
- 控制供体器官的大小。
利用 CRISPR/Cas 技术培育基因修饰猪通常有两种途径。第一种途径是将 Cas9 核酸酶的 mRNA 和向导 RNA (gRNA) 通过转染导入猪原代细胞，随后进行多轮细胞培养和体细胞核移植，该技术用于将 体细胞 的细胞核转移至卵细胞中，最后通过 繁殖 培育出基因修饰猪。另一种途径涉及将 Cas9 核酸酶和 gRNA 表达载体或 RNA 显微注射到猪受精卵中，随后通过繁殖产生基因修饰猪。
表 2 列出了在异种移植研究中利用 CRISPR/Cas 技术进行修饰的基因。异种移植研究中使用的大多数基因修饰猪往往具有不止一种基因修饰，例如 双、 三和 四 基因敲除 (KO) 猪。
猪基因（敲除）及相关蛋白
- GGTA1：糖蛋白 α-半乳糖基转移酶 1
- CMAH：N-羟乙酰神经氨酸
- β4GALNT2：β-1,4-乙酰氨基半乳糖转移酶
- A3GALT2：α-1,3-半乳糖转移酶 2
- PERV：猪内源性逆转录病毒
- GHR：生长激素受体
- β2M：β2-微球蛋白
- CIITA：II 类主要组织相容性复合体反式激活因子
- SLA：猪白细胞抗原
人类基因（敲入）及相关蛋白质
- CD39：胞外核苷三磷酸二磷酸水解酶 1
- CD46：膜辅因子蛋白
- CD47：整合素相关蛋白
- CD55：衰变加速因子
- CD59：膜攻击复合物抑制蛋白
- β2M：β2-微球蛋白
- HLA-E：主要组织相容性复合体 I 类 E 分子
- THBD：血栓调节蛋白
- TFPI：组织因子途径抑制物
- HO1：血红素加氧酶-1
- EPCR：内皮蛋白 C 受体
表 2： 使用 CRISPR/Cas 技术进行异种移植基因修饰的基因列表。
报告 表明 猪心脏在移植到非人灵长类动物体内后会持续生长，从而导致移植失败。这也需要使用能够抑制这种生长的药物，例如 mTOR 抑制剂、替西罗莫司等。克服这种持续生长问题的一种方法是 敲除 猪体内的生长激素受体，从而使猪及其器官的整体尺寸变小。目前，这一问题仅限于异种移植的临床前非人灵长类动物模型，但在儿科异种移植中，控制异种器官的大小可能变得至关重要。
如前所述，CRISPR/Cas 技术近年来在异种移植领域取得了多项重大突破。其中包括：
- 猪心脏移植 于 2022 年成功移植到活体人类受者体内。 该猪心脏经过了广泛的基因修饰，以提高存活几率。基因修饰 包括 敲除三种异种抗原（半乳糖-α-1,3-半乳糖、Sda 血型抗原和 N-羟乙酰神经氨酸）的基因，敲除生长激素受体基因以控制器官大小，并引入总共六种人类基因，旨在使猪心脏“人源化”并提高兼容性（CD46、衰变加速因子、血栓调节蛋白、内皮细胞蛋白 C 受体、CD47 和血红素加氧酶 1）。虽然没有明显的异种移植排斥迹象，但患者在 异种移植手术后 两个月不幸离世。尽管令人遗憾，但该病例仍是该领域的一项卓越成就/里程碑。
- 猪心脏移植 于 2023 年成功移植到活体人类受者体内。 该手术由 2022 年进行异种移植的同一组医生和研究人员执行，所使用的猪心脏经过了类似的基因改造。与 2022 年的情况一样，患者在 六周 后去世。在这两起病例中，尸检均发现心脏重量显著增加，并伴有“心肌增厚” 现象 。
- 猪肾移植 于 2024 年植入活体人类受体。 与上述猪心脏异种移植一样，该猪肾也经过了基因 改造，据报道通过 CRISPR/Cas 技术完成了 69 处基因组编辑。患者在手术后近 两个月 去世。
- 猪肾和胸腺移植 于 2024 年植入活体人类受体。 该手术的独特之处在于移植的器官被称为 UThymoKidney™（联合治疗公司）。它由一个猪肾与来自同一头猪的胸腺组织结合而成，植入体内旨在 降低 排斥反应的可能性，防止供体的免疫系统将移植器官识别为外来物体。与其他病例不同的是，由于 器官衰竭，该异种移植器官在手术一个半月后被从受体体内移除。，需要恢复透析，患者最终在几周后去世。
尽管术后生存面临持续挑战，临床试验仍在进行中。例如，2025年，United Therapeutics宣布其研究性新药申请（IND）已获得美国FDA批准，将开展UKidney™的临床试验。该 1/2期临床试验 计划于今年夏天启动，旨在研究10个基因工程肾脏（UKidney™）的异种移植效果，这些肾脏源自10种基因修饰——即 一种 敲除四个猪基因并添加六个人类基因的组合，用于治疗终末期肾病患者。
器官移植之外
异种移植手术或许也能解决器官衰竭以外的病症。得益于CRISPR等基因编辑技术，动物细胞和组织可以经过修饰，用于治疗其他人类疾病。
1型糖尿病：
将已故人类捐赠者的胰岛移植给 1型糖尿病 患者一直是一个备受关注的领域，但胰岛的需求量远超供应量。近年来，通过敲除异种抗原并表达人类蛋白质进行人源化改造的转基因猪胰岛，在非人灵长类动物身上移植后已 显示出 令人期待的结果。然而，仍存在一些根本性挑战， 包括 对移植体的初始炎症和免疫反应（IBMIR），以及胰岛生理功能和胰岛素分泌方面的差异。
多囊卵巢综合征（PCOS）
近期，中国南京医科大学的科学家尝试将大鼠的棕色脂肪组织异种移植到小鼠体内，以治疗多囊卵巢综合征（PCOS）。棕色脂肪组织（通常缩写为 BAT）是一种参与利用脂质和葡萄糖进行产热及调节体温的脂肪。将大鼠 BAT 异种移植到小鼠体内，能够部分纠正 PCOS 并改善小鼠卵巢的整体功能。这些早期的实验研究前景广阔，为仅在美国就有近六百万名受 PCOS 困扰的患者带来了一线希望。
癌症
异种移植在癌症领域的应用涉及开发患者来源的异种移植模型，即通过将患者的癌组织和细胞植入小鼠和大鼠等动物体内而创建的模型。这些模型对于 理解 疾病的病理生理学、测试和评估更有效的药物，以及设计 个性化 医疗方案具有不可估量的价值。
异种移植的挑战与机遇
尽管异种移植取得了诸多进展，但要实现广泛的临床应用仍面临重大障碍。免疫兼容性的复杂性意味着仅依靠基因工程可能无法防止器官排斥。此外，还有技术和伦理方面的 挑战 需要解决，即潜在的感染风险、器官尺寸差异，以及 关于 知情同意和动物福利的问题。
医学界还需要了解异种移植的任何长期影响，并建立一套一致且稳健的监管框架来指导未来的工作。由于这些挑战，异种移植目前仍被视为一种实验性治疗手段，且有诸多障碍亟待克服。
然而，基因工程领域的进步已经带来了实质性的改善，为该领域的发展提供了不可否认的动力。随着基因编辑和免疫学理解的不断突破，异种移植有望为成千上万甚至数百万急需器官和组织的患者带来希望。
