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走近器官异种移植新星杨璐菡博士的科研历程:猪是怎么飞起来的

2017/04/14 来源:医麦客/小博
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导读
杨璐菡曾坦言,刚开始对此也是持质疑态度的。但是,深入学习后了解和认可了异种器官的逻辑。她告诉STAT,在中国有200万人需要器官移植,器官移植手术影响了全球数百万人的生命,然而,能够用以移植的器官数量却非常有限,死神往往比可移植的器官更早到来,夺走患者的生命。


猪即将作为人类救生器官的供体来源!What?普通民众表示惊掉了下巴,当然这不是肉眼凡胎能看到的,这不怪你们……,美女科学家杨璐菡的大脑回路吃瓜群众看不懂。

当异种胰岛移植治疗Ⅰ型糖尿病临床研究获得重大突破,成功将医用供体猪的胰岛移植到I型糖尿病患者身上时,你看到的还只是猪肉吗?是数以万计的猪肝脏和猪肾,甚至可能是心脏和肺部。

但是猪器官向人移植的研究之路并不那么平坦。上世纪90年代,猪器官移植研究在欧美很热,一些大药厂也投入巨资,希望解决猪器官的人体排斥问题,但是没想到的是,猪的基因组里存在内源性逆转录病毒,异种器官移植的临床试验被明令禁止,相关研究也停滞下来。这是一个被科学家搁置的领域。

杨璐菡曾坦言,刚开始对此也是持质疑态度的。但是,深入学习后了解和认可了异种器官的逻辑。她告诉STAT(生物医药资讯网站),在中国有200万人需要器官移植,器官移植手术影响了全球数百万人的生命,然而,能够用以移植的器官数量却非常有限,死神往往比可移植的器官更早到来,夺走患者的生命。据估计,在2016年,每天都有22名患者在等待器官移植的过程中死去。这一事实深深触动了杨璐菡。

作为哈佛研究生,杨璐菡是2013年突破性基因组编辑技术CRISPR-Cas9研究的主要作者。她师从 “基因编辑大牛”美国科学院与工程学院双料院士George Church教授。2015年,她与George Church共同创办了一家生物技术公司eGenesis,他们还曾试图通过遗传学家来重塑冰河时代的巨型猛犸象。尽管eGenesis只是肯德尔广场的的一个小型公司,但她打算使用CRISPR技术来实现猪异种器官移植到人体。

Church说:“璐菡是一个了不起的人,她就是一个自然的力量。”

对于猪器官移植这个问题,不管是过去还是现在都存在着令人生畏的障碍。和eGenesis面对的这些,感染和异种器官排斥的老问题似乎显得很奇怪。


eGenesis使用CRISPR技术所面临的巨大挑战是前所未有的基因数量,包括优化哺乳动物的克隆,但这不会影响供体猪的生存能力,也不会引入异常编辑。还需要考虑公司如何创造供体猪,并说服投资者和医生,异种移植是安全有效的,符合伦理和利润丰厚的。

值得高兴的是,eGenesis的首席科学家杨璐菡在科学和金融领域已经取得了巨大的进步。在2015年,在 Church的实验室里,她和同事们使用CRISPR从猪细胞中除去了62个基因,从而消除了猪基因组里潜在的危害,这使得他们更加努力将猪转化为器官捐赠者。

上个月,eGenesis宣布获得了3800万美元的融资。有望利用CRISPR-Cas9基因编辑技术,攻克人类器官移植的一大难题。那么接下来的下一个障碍是如何得到代孕母猪(转基因胚胎)生出健康的小猪。

马萨诸塞州总医院移植手术主任James Markmann博士说:“她的工作有可能改变移植的现状,挽救无数的生命。

杨璐菡不仅很有信心成功,她也将eGenesis的异种工作视为一种更加大胆的目标的试运行。在2016年,她帮助构想了人类基因组编写计划,其目标包括从现成的部分组装合成人类基因组,因为这样可以制作比自然更好的基因组。为什么不呢?

一开始她就在思考,“我们能使人类基因组抗癌吗?或使其带有病毒抗性……现在有一个很好的机会,异种这个概念可以告诉我们在基因组工程之后,人类会发生什么。

但是,如果eGenesis想要成功制造出异种移植供体猪,先不用说为后人的研究铺路,杨璐菡现在急需解决的是代孕猪的流产问题。


大量的遗传特点

在3月一个寒冷的早晨,杨璐菡和 Church以及公司的六位员工举行了每月例会,了解供体猪研究进展的更新情况。

生物学家Marc Guel告诉杨璐菡,这个月的重点是“代孕母猪”并没有使胎儿感染PERV(猪内源性逆转录病毒),这是至关重要的,因为这个具有传染性的猪内源性逆转录病毒可能导致肿瘤,白血病,如果移植到患者中,则会出现神经元变性。为了使异种移植成功,PERV必须敲除。

据了解,内源性逆转录病毒是嵌在细胞内基因组的病毒,在猪身体里面不会有毒性。但当猪的细胞和人的细胞接触时,这种病毒会从猪的基因组“跳”到人的基因组中。异种病毒传播最典型的例子就是艾滋病病毒(一种逆转录病毒)从灵长类动物传播到人类,至今还没有有效彻底的医疗方法防御和清除艾滋病毒。因此,猪基因组的内源性逆转录病毒成为人体移植利用猪器官面临的一个重大医疗风险问题。

由于PERV基因与猪细胞的基因组交织在一起,所以eGenesis科学家使用CRISPR-Cas9技术来进行操作,CRISPR-Cas9使得编辑生物的基因组变得如此简单,以至于高中生都可以做到这一点。然而,如果eGenesis在猪成纤维细胞中是结缔组织细胞,则需要更多的专业知识来一次去除几十个PERV基因。

eGenesis将这些细胞批次运送到中国,其中每个de-PERV的猪细胞与已经去除其自身DNA的猪卵细胞进行了融合。现在只含有无PERV的基因组的卵细胞进行分裂和倍增,开始孕育胎儿的过程。(这种成熟细胞+卵细胞的技术曾经用于克隆多莉羊。)将胚胎植入代孕母猪,如果一切进展顺利,114天后这些小猪就出生了。不幸的是,一切并未如愿。

清除PERV基因的工作只是eGenesis改变猪基因组的开始。杨博士在接受采访时表示,科学家们在猪的卵细胞中引入多达12个人类基因,是为了使猪的脏器更接近人类。她说,一个基因将会屏蔽其器官免受人体免疫系统的攻击,另一个将改革其凝血系统,以减少血块的风险。

一只小猪就需要处理大量的遗传特点,而且早期迹象可能太多了。

杨璐菡说:“一批胚胎都死亡,可能是因为染色体被遗传变化或实验室操作所扰乱。”同时她表示另一批次也有很多发生了流产现象。

科学家在3月份的会议上指出,还有其他问题。有时PERVs在胚胎植入代孕母体之前被发现。从猪的卵细胞中去除细胞核并不总是完整的;遗传分析显示,一些卵子自身的PERV感染基因仍然存在,所以从它生成的的胚胎中也含有PERVs。

我们如何快速修正这个问题?她说:“也许我们应该暂停一下,寻找其他解决方案。最好弄清楚问题来自哪里,那么我们就再也不会有问题。”


时间很短暂

问她关于异种移植的伦理问题,她会马上告诉你有三个,然后详细说明一下。问她什么特征构成了“创业精神”,她会说有四个,然后把它们一口气说出。他的同事说:“她有一个处理问题的诀窍,就是将其分解成一个个可控的步骤。”

她语速很快,讨厌等待,同时也期望者别人能够跟上她的速度。同事表示她性子很急。生物学家Dong Niu之前在Church实验室工作,现在在eGenesis公司任职,最近一次陪同杨璐菡找公寓,Dong Niu说:“我甚至不能看到,她的步伐快的如此惊人。”

曾经有一次,当收拾eGenesis以前的办公室时,一直在等待搬运工激怒了杨璐菡,以至于把她的电脑和其他物品放在儿童的玩具车上,飞一般的离开了。

甚至在度假时,杨璐菡也在夏威夷附近的地方进行快速的喷气式滑雪。一回到家,她和朋友、同事一起吃晚餐,唱卡拉OK。

她敦促同事完成任务包括分析DNA编辑,检查细胞活性,当她要求同事解释科学细节时,她说:“我们的时间有限,请说重点。”

而同事们并没有因此感觉不舒服,相反却赞美她,表示杨博士是在鼓励他们,为她的工作带来“热情”和“焦点”。Dong Niu说:“不管何时,只要你有问题,她都有一个答案,几乎每次在你想出来之前。”

同事还提到她的好意,在闷热的夏季的一天,娇小的杨璐菡把一个闲置的空调从剑桥街搬到eGenesis的办公室,这段平时步行就需要30分钟的路程。并把它放在一个没有空调的同事的桌子上。

杨璐菡在中国西南地区的一个小城镇出生长大。她的父母是普通的工人阶级,她告诉STAT,她的父亲是一名政府雇员,她的母亲是会计师。

她的家乡以代表智慧的中国佛教命名。她说:“因为我们的山上有很多寺庙,而且我年轻的时候,对自然非常着迷。我认为这影响了我的职业发展道路。”

2004年,作为高中毕业生,她被选为中国代表赴澳大利亚参加第15届国际生物学奥林匹克竞赛,竞赛内容包括对生物学理论的书面测试和实验室技术的实际测试,不负众望,杨璐菡荣获金牌,并被北京大学生命科学学院点招。

因为她在国际生物学奥林匹克竞赛中学习了所有东西,所以在北大的时候她主修心理学和生物学。她解释说:“选择心理学,是因为我认为人的思维非常迷人。”不过后来她表示没有深度学习而感到很遗憾,因为她发现,可以学习商业,可以学习免疫学,但是如何激励人们,如何管理不同利益的人是她转型中最困难的一部分。

2008年,杨璐菡进入哈佛大学研究生院,在她加入Church的实验室之前,她转过三个实验室。她说:“这是一个速成课程,不仅仅是在生物工程领域,再成功方面同样适用。我认为80年代的中国人,比如我自己,非常积极乐观,有时候我觉得我们都想成功并为此去找成功的捷径,因为在中国(学术成功)的竞争太激烈了。

杨璐菡表示她在哈佛看到了不同的“世界观和价值体系”,她说:“这使得我的想法更开阔,重新评估我想要做一个什么样的人,我想回报社会。”

敢于think bigger

杨璐菡从Church的实验室门口跌跌撞撞的跑出来,因为英语比较差几乎没有参加博士资格考试,这是她遇到的第一次学术挫折。杨璐菡说:“Church向委员会请求让我通过这次考试,他表示会花更多的时间对我进行英语培训。”

杨璐菡说:“人们认为异种可以解决器官短缺问题,但他们低估了有多少基因需要被编辑。”

曾一度热爆的猪器官移植因为发现猪的基因组里存在内源性逆转录病毒,异种器官移植的临床试验被明令禁止,相关研究被搁置了15年。”

她表示创立eGenesis的动机不仅是因为科学也是文化。中国长期以来一直被全球移植外科医生所忽视,因为国外使用囚犯作为捐助者,但这被认为是违背道德的,因为犯人可以被强制。而中国的传统是人们必须被埋葬或火葬完整,杨璐菡说:“正是没有器官捐赠文化,中国外科医生感到非常沮丧。他们的目的是挽救病人,但是由于这些原因,他们被移植社区边缘化。”

她说她感到自己有“强烈的责任感”来帮助数百万人可以再中国进行器官移植:“我作为中国科学家,能够为中国和世界潜在地解决巨大医疗护理和社会问题的事情,我觉得这是很荣幸的。”

自2013年以来,有数百个实验室都在使用CRISPR进行研究,大多数实验一次改变了一个或两个基因,最多五个。但杨璐菡却是如此大胆,扬言:“要清除所有的PERV基因,这需要十倍的改善。但是,如果我们能够做到这一点,影响将是巨大的。”

此前,大多数的基因改造都是一个基因层面上的修改,CRISPR-Cas9的最高纪录也就是一次改造6个基因拷贝。而在猪细胞中,一个细胞有62个拷贝的内源性逆转录病毒基因需要修改,并且必须保持基因组的完整性。“这是一个非常艰巨的任务,”她说,“即使在2014年波士顿大雪封城,全城交通瘫痪的一个星期,我们的队员仍花几个小时步行到实验室,继续开展实验。”在2015年,Church实验室宣布,在实验室培养皿中生长的猪肾细胞中,CRISPR已经敲除了62个PERV基因。这是一个记录,而且它仍然在继续。

杨璐菡说:“George总是鼓励我要更大胆的思考。”

推动技术局限

她决心要使异种器官移植取得成功,杨璐菡认为“这为我推动基因组技术的局限打开了一扇门。”她解释说,一方面,异种移植需要大规模的基因组工程,除了敲除相对容易的PERV,还需要将大量的人类DNA插入到供体猪基因组。杨璐菡表示,目前我们敲除大片段DNA的能力仍然有限。

研究如何在猪身上做这项工作,可以指出,如何将抗癌基因p53添加到一个人的基因组中。她说:“这就是为什么我喜欢异种移植,因为这是一个帮助我们评估技术的平台。”

然而,杨璐菡在她大胆的设想上遇到了阻碍。在2015年的故事《Technology Review》把她描绘成一个探索如何使用CRISPR工程定制完美婴儿,并将DNA遗传给下一代。杨璐菡和Church表示她没有这样做,这个乌龙事件其实是因为杨的英语表达能力而造成的误解。Church说:“这可能是杨的第一次采访。”

当时的情况是,杨璐菡为“猪基因组工程”画了她在人类种系项目上工作的图片,当时她刚刚学习了人类卵母细胞。

后来杂志在一份声明在表示,《Technology Review》讲述的故事是:“杨璐菡很清楚地向我们展示了编辑人类种系细胞的计划,并没有婴儿参与。

杨璐菡沉浸在异种移植的伦理问题上,但并没有放慢她对可移植猪脏器官的追求。有学者认为,相比动物,更加重视人的生命是道义上的错误,杨璐菡反驳道,每天都有这么多人吃猪肉怎么解释?是啊,好像很有道理的样子!

至于“playing God(扮演上帝的角色)”,以基因组编辑的方式改变猪是不道德的论据。她说:“最高的道德标准是人的生命。我认为这是一个个人选择,无论你选择使用猪器官进行移植还是选择死亡。但你不应该阻止别人使用它。”

到3月初,eGenesis的两头猪胎儿快要出生了,杨璐菡说:“我们检查了基因型,感到很惊讶,因为胎儿(代孕母猪)中百分之百没有PERV。”

杨博士已经为成为一个骄傲的母亲做好了充分的准备:“我觉得这是我们的时代”。

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