豬隻器官移植新突破:CRISPR技術攻破了「豬內源病毒」的瑪利亞之牆!

現代醫學研發出器官移植的技術,但是材料卻遠不足夠,等待捐贈器官的病患大排長龍,大多數人一生都等不到。人類是動物,器官是肉做的,其他動物也是,那麼何不借其他動物的器官一用?

「借」我的器官用?哼!圖/取自《Science》新聞〈CRISPR slices virus genes out of pigs, but will it make organ transplants to humans safer?

缺乏移植器官,借豬的一用

將其他生物的組織、器官,移植到人類身上,有個酷炫的名詞「Xenotransplantation」,翻譯作「異種器官移植」。豬是已知各種動物中,最適合作為人類器官的來源,然而要將豬的器官,如心臟移植進人體,仍有重重難關有待克服,目前還沒有成功案例。

異種器官移植至少有三大潛在問題。第一,免疫排斥。以豬舉例,儘管豬已經是最適合的移植對象,但畢竟人豬殊途;將豬的器官移植進人體後,人類免疫系統會將其視為外來者(也真的是外來者)攻打,導致手術失敗。第二,生理不相容。也就是豬的器官,無法在人體順利運轉。[1]

靠著基因改造豬與藥物控制,以上兩個問題,都已達到相當程度的改善。而最近發表在《Science》期刊的論文,則是針對另一個問題,有了令人振奮的進展。異種器官移植的第三個潛在問題是:豬病毒感染。[2]

用 CRISPR-Cas9 成功消滅豬的內源反轉錄病毒,培育出基因改造豬,上了當期《Science》封面。圖/取自《Science》封面

住在基因組中的古老病毒

等等,這問題很好解決吧!假如豬帶有病毒,那麼只要讓等待供應器官的豬,從胚胎開始就養在無菌環境中,不就能避免牠們長大以後,將病毒傳染給人類嗎?

問題當然沒有這麼簡單,別誤會,這裡的「豬病毒」不是住在豬身體內的病毒,而是躲在豬的基因組中,以 DNA 序列方式存在的內源性反轉錄病毒(porcine endogenous retrovirus,縮寫為 PERV)。這些病毒就是豬本身的遺傳序列,不可能直接外加藥物消滅。

事實上,人類跟豬一樣,基因組中也存在不少這類病毒。在人類的演化歷史上,基因組不斷更替,曾有許許多多外來的轉位子(transposon)插入我們祖先的 DNA 序列,也順便引進不少病毒,後來成為基因組的一部份。(人類基因組廣義看來,共超過 40% 是由各式轉位子所引進,來自病毒的只占相對比例,很低的一小部分)

經過長期的演化淘汰,能在基因組中留存下來的病毒,都成為「內源性」的病毒,屬於跟隨細胞正常複製程序的固定成員,絕大部分時候安份守己。我們的免疫系統,除了抵抗外來的入侵者以外,另一重要任務,正是防範這些原本的病毒遺傳物質,哪時候又掙脫枷鎖,跑出來作亂。

人的基因組中,有人的內源性反轉錄病毒,我們的遺傳與免疫體系可以壓制它們。豬的基因組中也有豬的內源病毒,它們在豬的體內受豬控制,當然對豬不成問題,然而,假如把豬的器官移植給人類,豬的病毒在陌生的人體環境中,很可能成為擺脫拘束器的殺人狂魔。(反過來說,把人類器官移植給豬,應該也會發生類似的事,不過此一狀況大概沒有機會上演)

將豬與人的細胞株共同培養,豬的 PERV 會轉移到人類的細胞株,而且愈久愈嚴重。圖/取自 ref 2

豬的內源病毒會傳染給人

怎麼解決?既然病毒就是豬基因組的一部份,不可能以外加藥物處理,那麼只能直接編輯豬的基因組,先把 PERV 序列消滅。

不過,目前仍缺乏將豬器官移植給人的資訊,豬的病毒在人體作亂,想來儘管嚴重,卻純屬假說,真的值得大費周章去改造 DNA 培養基改豬嗎?新發表的論文,首先進行了一系列實驗,證實 PERV 的病毒危機並非危言聳聽。

豬的內源性反轉錄病毒可分為三種:PERV-A、PERV-B、PERV-C,在豬的基因組中合計有 62 個之多。將源自豬的 PK15 細胞株,與來自人類的 HEK293T 細胞株一起培養,過了很多代以後,人類細胞的基因組中也能偵測到 PERV(有 A 有 B,沒有 C),而且數目隨代數增加愈來愈多,證實 PERV 確實有能力由豬的細胞向人入侵。

將帶有 PERV 的人類細胞株,與未接觸過豬細胞株的人類細胞共同培養,PERV 能夠轉移到新的人類細胞。圖/取自 ref 2

為了測試 PERV 在人體的轉移能力,實驗團隊接著將受到 PERV 感染的人類細胞株,與新的人類細胞株共同培養。結果是,即使從未接觸過豬的細胞,只要樣本中存在來自豬的 PERV,它仍然能傳播給新的人類細胞。

儘管以上只是非常簡單的體外測試,與免疫系統存在、複雜的人體環境大不相同,不過仍足以證明跨物種的豬病毒感染,是器官移植時不可忽視的風險。畢竟,移植時為了降低排斥反應,勢必會先用藥物抑制人體的免疫作用,這正是病毒轉移的良機。

用 CRISPR-Cas9 改造豬的胚胎纖維母細胞,消滅基因組上頭的一大堆 PERV,創造出不會表現 PERV 產物的改造豬細胞。圖/取自 ref 1

器官移植新希望-沒有內源病毒的豬寶寶

靠著近來當紅的基因編輯工具 CRISPR-Cas9,研究團隊之前已經成功消滅過豬細胞株的 PERV 序列 [3]。不過,假如目的是器官移植,那麼就要改造豬的初級胚胎纖維母細胞(primary procine fetal fibroblast,這邊用的型號稱作 FFF3),才能培育長大後用於移植的個體。

FFF3 細胞的基因組上,共有 25 處活躍的 PERV,都是需要以 Cas9 精準打擊、根除的目標。兩款 gRNA 被用於導引 Cas9 前往攻擊,然而初步結果顯示,戰況非常慘烈;看起來,大規模同時攻擊基因組上的許多部位,會使得自我毀滅機制啟動,細胞被改造成功,然後它就死掉了。

把經改造後失去 PERV 感染性的胚胎細胞,植入孕母母豬,生下沒有 PERV,有望用於器官移植的小豬。圖/取自 ref 1

像最後一戰(Halo)士官長般如此強悍,經歷全身改造後仍活跳跳的細胞,畢竟極為少數。為了克服此一問題,研究者調配了「雞尾酒」一起餵食細胞,也就是在基因改造同時,再加上p53 inhibitor、pifithrin alpha (PFTa)、basic fibroblast growth factor (bFGF),讓受到劇烈衝擊的細胞能繼續活著,不要想不開自殺。

修正後的作法非常成功,研究團隊終於獲得基因組不含 PERV 的乾淨 FFF3。靠著千辛萬苦後得到的細胞,如今已經培育出 15 位不會表現 PERV 的健康小豬寶寶,直到論文發表之際,最老的已長到 4 個月大。

將豬的器官移植給人,目前離那一天仍為時尚早。不過這回的基因改造豬仍是又一大突破,讓我們離目標更進一步,也讓學界有了更多信心。[4]另一方面論文也指出,採用 CRISPR-Cas9 進行基因改造的同時,搭配這回的反自殺雞尾酒配方,能十分有效地強化編輯效率,增加成功率,未來或許有很寬廣的發展空間。

參考文獻

  1. Advances in organ transplant from pigs

  2. Niu, D., Wei, H. J., Lin, L., George, H., Wang, T., Lee, I. H., … & Lesha, E. (2017). Inactivation of porcine endogenous retrovirus in pigs using CRISPR-Cas9. Science, 357(6357), 1303-1307.

  3. Yang, L., Güell, M., Niu, D., George, H., Lesha, E., Grishin, D., … & Cortazio, R. (2015). Genome-wide inactivation of porcine endogenous retroviruses (PERVs). Science, 350(6264), 1101-1104.4.
  4. Scientists grow bullish on pig-to-human transplants

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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