单细胞分析揭示了异种移植期间免疫反应的见解

　　

纽约大学朗格尼医疗中心(NYU Langone Health)的外科团队于2021年9月和11月进行了世界上第一次转基因猪肾移植手术，然后在2022年夏天移植了两颗猪心脏。这些程序是在根据神经学标准宣布死亡的患者(死者)中进行的，并在家属同意的情况下维持呼吸机。纽约大学朗格尼医学院于2024年4月将一个猪肾移植到一个活着的病人身上，展示了该领域的进展。

现在有两项新的分析，一项发表在5月17日的《自然医学》(Nature Medicine)杂志上，另一项发表在5月21日的《医学》(Med)杂志上，揭示了死者接受异种移植手术之前、期间和之后器官和受体体内单细胞水平的变化。科学家团队与外科医生一起工作，采集血液和组织样本，分析收集到的数万个细胞的变化。

由纽约大学格罗斯曼医学院(NYU Grossman School of Medicine)、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所(Broad Institute of MIT)的研究人员领导的这篇医学论文，追踪了移植到人类体内的两个猪肾脏的基因和细胞活动，并将它们与未被翻译的猪肾脏样本进行了比较。为此，研究组使用了包括单细胞RNA测序在内的多种技术，该技术确定了在不同细胞类型中组成猪和人类基因的分子字母的顺序(序列)。

研究表明，移植的猪肾脏虽然没有被受体身体完全排斥(没有立即肾功能衰竭)，但在人外周血单核细胞(PBMCs)中引起了强烈的反应。这组免疫细胞可以攻击移植的(外来)器官，就像它们攻击外来入侵者(如病毒)一样。虽然没有发现立即的排斥反应，部分原因是药物抑制了排斥反应，但这项新研究发现了一些更微妙的反应的证据，这些反应可能导致异种移植随着时间的推移而失败。

具体来说，猪肾在分子水平上触发了“抗体介导的排斥反应”。当身体产生针对移植器官的抗体这种免疫蛋白时，它们会招募自然杀伤细胞、巨噬细胞和T细胞来伤害移植器官。研究小组还发现猪肾脏的组织修复机制有所增加，其中某些细胞在愈合过程中增殖。转化为癌细胞的正常细胞也会迅速生长，因此这一机制值得关注。纽约大学格罗斯曼医学院系统遗传学研究所的主任Jef Boeke说：“我们已经详细说明了细胞机制，决定了人类免疫细胞如何在短期内对异种移植作出反应。这些结果给我们提供了新的见解，让我们可以进一步设计猪器官用于移植，或者定制免疫抑制治疗来提高对外来器官的耐受性。”

通过每天多次跟踪肾脏和人体系统之间的相互作用，研究人员发现猪肾脏免疫细胞在移植后立即产生反应，但人类免疫细胞渗透到猪器官48小时后主导信号传导。该研究的作者说，测量猪免疫细胞触发对异种移植的第一波免疫攻击的程度，将有助于防止对异种移植造成不可逆的细胞损伤。

移植心脏

另一篇发表在《自然医学》杂志上的新论文对猪心脏和死者周围的人类细胞进行了“多组学”分析。这包括移植后每6小时分析一次基因活性(转录组学)，以及细胞中存在的蛋白质(蛋白质组学)、脂质和代谢物(生物途径中的中间产物)。

在接受猪心脏移植的死者身上，某些细胞类型的数量也出现了快速、大规模的增加。在其中一名死者(D1)中，PBMC组中活化的T细胞和自然杀伤细胞(NK)数量从移植后30小时的约1%增加到移植后66小时的整个PBMC群体的20%以上。这种对器官的剧烈免疫反应，一种称为围手术期异种心脏移植功能障碍(PCXD)的并发症，伴随着免疫细胞的破坏性涌入(炎症)，以及错误的愈合尝试(组织重塑)，这会使组织变厚并阻碍功能。

研究人员说，其中一名死者所经历的更糟糕的结果可能部分是因为这颗心脏比接受者的预期大小要小，需要额外的手术来弥补它。这些因素可能在较长时间内切断了心脏的血液流动和氧气供应，已知当供应恢复后会引起缺血再灌注损伤。研究小组观察到，在该受体再灌注损伤存在的情况下，猪器官的PCXD相关免疫反应恶化。

“这项研究表明，多组学可以用来揭示异种移植受体发生了什么，”Brendan Keating博士说，他是这两项研究的资深作者之一，也是纽约大学格罗斯曼医学院外科学系的教员。“进行异种移植的团队有几种理论可以解释为什么第一个死者会有更多的问题，但多组学有助于定义并发症，并可能用于对抗它们。”