执行摘要
- 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，这一短缺现象预计将进一步加剧。异种移植（即从动物向人类移植器官和组织）已成为弥合这一供需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领域的开创性工作，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兼容性，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，包括将猪心脏、猪肾脏以及猪肾脏与胸腺联合移植到活体人类受体中。United Therapeutics 公司的 UKidney 于 2025 年进入临床 1/2 期试验。
美国有超过 10 万人在等待器官移植。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有着悠久的历史，可追溯至 20 世纪初，但免疫问题和器官排斥反应曾阻碍了其成功。随着基因编辑技术（特别是 CRISPR-Cas）的出现，研究人员正日益能够解决免疫兼容性问题。正如 2022 年至 2024 年间开展的几项突破性移植手术所展示的那样，他们正愈发接近实现利用动物供体为人类受体提供心脏、肾脏及其他器官和组织的目标。这些创新可能为成千上万急需器官救命的患者带来新的希望。
什么是异种移植？
根据 FDA 的定义，“异种移植是指任何涉及将以下物质移植、植入或输注到人类受体体内的程序：(a) 来自非人类动物源的活细胞、组织或器官，或 (b) 曾与活的非人类动物细胞、组织或器官进行过 体外 (ex vivo) 接触的人体体液、细胞、组织或器官。”
医生们在 20 世纪初就开始尝试异种移植，但直到本世纪中叶免疫抑制药物研发成功后，移植成功率才有所提高。1960 年诺贝尔生理学或医学奖授予了彼得·梅达沃，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. et al. JAMA 1964, 189, 934-937 - 1963年：肾脏，恒河猴
Reemtsma, K. et al. Science 1964, 143, 700-702 - 1963年：心脏，黑猩猩
Hardy, J. et al. JAMA 1964, 188, 1132-1140 - 1964年：肾脏，黑猩猩
Reemtsma, K. et al. Ann. Surg. 1964, 160, 384-408 - 1970年：肝脏，狒狒
Bertoye, A. et al. Lyon Chir. 1969, 222, 347-354 - 1971年：肝脏，狒狒
Pouyet, M. and Berard, P. Lyon Chir. 1971, 67, 288-291 - 1974年：肝脏，黑猩猩
Starzl, T. et al. Transplant Proc. 1974, 6, 129-139 - 1977年：心脏，黑猩猩和狒狒
Barnard, C. et al. S. Afr. Med. J. 1977, 52, 1035-1038 - 1984年：心脏，狒狒
Bailey, L. et al. 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. et al. Lancet 1993, 341, 65-71 - 1993年：肝脏，猪
Makowka, L. et al. Transplantation 1995, 59, 1654-1659 - 1993年：肝脏，狒狒
Starzl, T. et al. Immunol. Rev. 1994, 141, 213-244 - 1996年：心脏，猪
Jayaraman, K. Nature 1997, 385, 378 - 2002年：α-Gal 敲除猪
Lai, L. et al. Science 2002, 295, 1089-1092 - 2009年：抑制猪体内 PERV 复制的尝试
Shi, M. et al. Antivir. Res. 2009, 83, 201-204 - 2013年：CRISPR/Cas 技术用于真核细胞基因编辑
Cong, L. et al. Science 2013, 339, 819-823 - 2015年：利用 CRISPR/Cas 技术根除 PERV
Yang, L. et al. Science 2015, 350, 1101-1104 - 2017年：培育出无 PERV 的猪
Niu, D. et al. Science 2017, 357, 1303-1307 - 2021年：猪（基因改造）肾脏移植到脑死亡人体受体
Cooper, D.K.C. Xenotransplantation 2021, 28, e12718 - 2021年：猪（基因改造）肾脏移植到脑死亡人体受体
Porrett, P.M. et al. Am. J. Transplant. 2022, 22, 1037-1053 - 2022年：猪（基因改造）心脏移植到活体人类受体
Wang, W. et al. The Innovation 2022, 3, 100223 - 2023年：猪（基因改造）心脏移植到活体人类受体
Griffith, B.P. et al. Nat. Med. 2025, 31, 589-598 - 2024年：猪（基因改造）肾脏移植到活体人类受体
https://hms.harvard.edu/news/first-genetically-edited-pig-kidney-transplanted-human - 2024年：猪（基因改造）肾脏和胸腺移植到活体人类受体
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，并促成了临床实验，2022-2024 年间报道了多起异种移植案例。我们查阅了全球最大的经人工整理的科学信息库 CAS 内容合集 (CAS Content Collection)TM，发现与异种移植相关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，恰好在最新的基因改造移植手术开始之前。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步推进。
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方面取得了最大的进展。
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。
- 由于易于饲养和快速繁殖，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）。先天性免疫由天然抗体 控制，这些抗体与猪糖蛋白（通常称为异种抗原）结合并识别它们。已鉴定出的一些异种抗原 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 被认为是异种移植进展中的一个重要里程碑。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，从而防止吞噬作用。猪 CD47 似乎无法像人类 CD47 那样与 SIRPα 相互作用，因此无法防止吞噬作用。近年来，多项研究 探索 了在猪器官中表达人类 CD47 以减少器官排斥的可行性。然而，CD47 除了与 SIRPα 相互作用外还有许多其他作用，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。像巨噬细胞一样，NK 细胞表面也 表达 抑制性和激活性受体，这些受体与结合配体相互作用并调节其活性。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 细胞对接触外来物质做出的反应。B 细胞 受体 是表达在 B 细胞表面的膜结合抗体，它们识别抗原并导致 B 细胞激活和免疫反应。2012 年的一篇文章 报道，通过在免疫抑制方案中加入针对 CD20（一种在 B 细胞表面表达的蛋白质）的抗体，狒狒体内的猪心脏异种移植物存活时间延长了 2.5 倍。其他人也报道过使用针对 CD40（在 B 细胞、巨噬细胞和其他免疫细胞上发现的细胞表面受体）的抗体，并结合其他免疫抑制剂，以 延长 猪胰岛异种移植物在非人灵长类动物体内的存活时间。
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，从而激活 T 细胞，并 触发 复杂的细胞内信号级联反应和 T 细胞亚型的生成。
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，导致激活并引发免疫反应。目前，人们仍在努力培育减少 SLA 表达的供体猪，以降低 T 细胞的激活。
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。肝脏在合成许多凝血因子方面起着关键作用。虽然人类和猪的凝血系统之间存在相似之处，但根本性的 差异 也会导致凝血不相容和出血并发症。
炎症被认为是接触有害刺激时的一种 正常 生理反应，一旦刺激消除，炎症就会减弱。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，并且这种全身性炎症反应 加剧 了凝血和免疫反应方面的问题，所有这些都导致了异种移植物/异种移植的失败。
考虑到炎症系统和凝血系统之间 复杂的相互联系，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) 等病毒可以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一个 潜在 促成因素可能是对潜伏 PCM 的反应。
这些挑战证明了异种移植的复杂性，以及为什么基因编辑在该领域展现出如此巨大的前景。
为何 CRISPR 可能是实现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）源自细菌的防御机制，是一项具有革命性的基因编辑技术。2023 年，首款基于 CRISPR/Cas9 的疗法 Casgevy 获得了美国 FDA 的批准。
CRISPR/Cas 技术在异种移植领域的主要应用方向包括：
- 敲除编码抗原蛋白的猪基因，其缺失有助于克服超急性排斥反应，并总体上降低对异种移植器官的排斥。
- 通过表达人类转基因来提高移植供体器官的免疫相容性。
- 通过消除与猪内源性逆转录病毒（PERV）相关的基因，降低人畜共患病的风险。
- 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（一种将体细胞核转移至卵细胞的技术），最后通过繁育产生基因修饰猪。另一种途径是将 Cas9 核酸酶和 gRNA 表达载体或 RNA 显微注射到猪受精卵中，随后通过繁育产生基因修饰猪。
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。大多数用于异种移植研究的基因修饰猪往往具有多项基因修饰，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-乙酰半乳糖胺基转移酶
- A3GALT2：α-1,3-半乳糖基转移酶 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
- 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
- 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： 利用 CRISPR/Cas 技术进行异种移植的基因修饰列表。
报告显示，猪心脏在移植到非人灵长类动物体内后会持续生长，导致移植失败。这还需要使用能够抑制这种生长的药物，如 mTOR 抑制剂西罗莫司（temsirolimus）等。克服持续生长问题的一种方法是敲除猪体内的生长激素受体基因，从而使猪和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：
- Pig heart transplant into a living human recipient in 2022. The porcine heart was extensively genetically modified to boost the chances of survival. Genetic modifications included knocking out genes of three xenoantigens (galactose-α-1,3-galactose, Sda blood group antigen, and N-glycolylneuraminic acid), knocking out growth hormone receptor genes to control the size of the organ, and introducing a total of six human genes in a bid to humanize the porcine heart and improve compatibility (CD46, decay-accelerating factor, thrombomodulin, endothelial cell protein C receptor, CD47, and heme oxygenase 1). While there was no obvious evidence of xenograft rejection, the patient passed away two months after the xenotransplantation occurred. While unfortunate, this case is nonetheless a remarkable achievement/milestone in the field.
- Pig heart transplant into a living human recipient in 2023. Conducted by the same team of doctors and researchers as the xenotransplantation in 2022, a similarly genetically modified porcine heart was used. As in 2022, the patient passed away six weeks after surgery. In both instances, a marked increase in the weight of the heart accompanied by “myocardial thickening” was observed during the autopsy.
- Pig kidney transplant into a living human recipient in 2024. Like the porcine heart xenotransplantations described above, the porcine kidney was also genetically modified, reportedly consisting of 69 genomic edits accomplished using CRISPR/Cas technology. The patient passed away nearly two months after the surgery.
- Pig kidney and thymus transplant into a living human recipient in 2024. This procedure was unique in that the transplanted organ, dubbed UThymoKidney™ (United Therapeutics Corporation). It consisted of a porcine kidney combined with thymus tissue from the same pig implanted into it to decrease the likelihood of rejection by preventing the donor’s immune system from recognizing the transplanted organ as a foreign object. Unlike the other cases, the xenotransplant was removed from the donor’s body a month and a half after the surgery due to organ failure, requiring resumption of dialysis with the patient eventually passing away after a few weeks.
尽管术后存活面临持续挑战，但临床试验仍在推进。例如，2025 年，United Therapeutics 宣布其研究性新药申请（IND）获得美国 FDA 批准，将开展 UKidney™ 的临床试验。该一/二期临床试验定于今年夏天启动，旨在研究 10 个基因工程肾脏（UKidney™）的异种移植效果，这些肾脏经过了 10 处基因修饰——结合了敲除四个猪基因和添加六个相关人类基因，用于终末期肾病患者。
器官移植之外
异种移植手术不仅可以解决器官衰竭问题。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：
将已故人类供体的胰岛移植给1 型糖尿病患者一直是一个备受关注的领域，但胰岛的需求远超供应。近年来，在非人灵长类动物中移植敲除了异种抗原并表达人类蛋白进行“人源化”的基因修饰猪胰岛，已显示出令人鼓舞的结果。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，南京医科大学的研究人员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（简称BAT）是一种通过消耗脂质和葡萄糖来产生热量并调节体温的脂肪。将大鼠的BAT异种移植到小鼠体内，不仅部分纠正了PCOS症状，还改善了小鼠卵巢的整体功能。这些早期实验研究前景广阔，为仅美国就有近六百万名PCOS患者带来了希望。
Cancer
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或大鼠等动物体内来创建模型。这些模型对于理解疾病的病理生理机制、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
尽管异种移植技术不断进步，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完全防止器官排斥。此外，还存在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，有许多障碍亟待克服。
然而，基因工程领域的进步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认识的持续突破，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。
