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中科院广州生物院:给猪胰岛素“整形”小猪长出人类胰岛

2016-04-08 08:42:42
日前,中科院广州生物医药和健康研究院赖良学课题组,通过对小猪基因的编辑,在对其特定基因进行精准的修饰后,该小猪和其子代、孙代出生的小猪都变成了分泌人类胰岛素的“亲人(猪)”。“随着材料学的进步,在目前已经具备了生产植入体内,保护胰岛不被人体自身攻击的材料后,这些来自于猪的胰岛,可直接通过移植等手段用来治疗糖尿病”,课题组成员李小平博士表示,经过后续的研发,这一技术有望在5年内进入临床试验,随后进入临床应用。

   ←目前只剩下了2头纯合子猪。受访者供图

南都讯 由于胰岛素分泌的缺乏或产生了对胰岛素的抵抗,人体代谢葡萄糖的能力就会下降,而体内的葡萄糖不能适时代谢,就会出现相应的酮中毒情况,危及心脑血管不说,严重的甚至会致命。日前,中科院广州生物医药和健康研究院赖良学课题组,通过对小猪基因的编辑,在对其特定基因进行精准的修饰后,该小猪和其子代、孙代出生的小猪都变成了分泌人类胰岛素的“亲人(猪)”。“随着材料学的进步,在目前已经具备了生产植入体内,保护胰岛不被人体自身攻击的材料后,这些来自于猪的胰岛,可直接通过移植等手段用来治疗糖尿病”,课题组成员李小平博士表示,经过后续的研发,这一技术有望在5年内进入临床试验,随后进入临床应用。据悉,目前课题组的相关研究已在线发表在了国际知名的《分子细胞生物学杂志》。

打胰岛素

患病越久剂量越大

早在上世纪20年代,医学界就发现了胰岛素的功能。一开始,科学家在狗的身上发现,胰岛素和能够产生胰岛素的胰岛。深入研究后,医学界发现这个胰岛非常有趣。一般情况下处于不活跃的停滞状态,只要周围的环境中葡萄糖浓度得到提升,胰岛就会分泌胰岛素来调控身体各个器官和组织代谢、分解葡萄糖。在牛、猪这些大动物身上是这样,对人类的相关研究也是这样。

有了这一理论的支撑,生物医药界、化学界一直在为糖尿病患者寻找最合适的胰岛素来源。上世纪五十年代,英国科学家最早测定了牛胰岛素的全部氨基酸序列,开辟了人类认识蛋白质分子化学结构的道路。1965年9月17日,中国科学家人工合成了具有全部生物活力的结晶牛胰岛素,它是第一个在实验室中用人工方法合成的蛋白质。

进入到21世纪,生物医学有了长足的发展。“现在的技术,已经能够直接产业化生产人胰岛素。只要将人胰岛素基因导入到大肠杆菌内,使之有效表达即可生成。”李小平表示,但即便是产生出了足够剂量的胰岛素,依然还是存在着诸多的问题。比如使用短效胰岛素,吃了饭就要打一针;长效胰岛素,需要一天打两针。万一出现了纰漏,打多了一针,这些胰岛素进入体内后是要去代谢糖分的。代谢过多,那就会出现低糖休克,甚至死亡。“即便是使用能够适时检测血糖浓度的胰岛素泵,能够根据患者的血糖情况及时注射胰岛素。但患者必须带着个一天24小时扎进体内的针来监测血糖,感染的风险加大。另一方面,这种泵成本更高昂动辄数万块,而且需要反复地往泵里添加胰岛素。”在现阶段治疗糖尿病的关键还是打胰岛素,而且患者患病越久,使用的剂量往往越大。

胰岛移植

目前成功率不到六成

但牛的胰岛素与人类自身胰岛素存在着三个氨基酸层面的差异,用于治疗时需要更大的剂量,且更容易产生药物依赖(胰岛素越打越多)。于是医学界从上世纪70年代开始进行胰岛移植。

胰岛隐藏在胰腺内,体积微小仅150-400微米大小。人类的胰腺含有75万-200万个胰岛,经过提纯后一般只能保留20万- 50万个胰岛。“虽然胰岛也是器官,但和移植肝肾这样的大器官不同。临床胰岛移植研究表明,1个胰岛受者每1千克体重至少需要8000-10000个胰岛,因此每个受者需要多个供体提供胰岛,而供体本身非常有限,只能来源于脑死亡的供体,且很难保证同时获得多个配型吻合的供体。”李小平表示,胰岛移植本身在技术上没有什么难度,只要将胰岛放置在人类皮下,保证其能和血液发生接触即可,但器官来源太艰难了,正常的胰岛移植需要同时植入2- 5个健康人提纯的胰岛,同时获得这么大量的胰岛,难度可想而知。

从捐献者处获得人类胰岛进行移植,其实从1977年就开始进行尝试。截至2012年,全世界一共有1400人接受了来源于人类胰岛的移植,也有越来越多的糖尿病患者脱离胰岛素治疗。但经历了多次探索发展,目前的移植成功率也就是58%的水平。与糖尿病患者的要求仍存在一定差异。

移植猪胰岛

有效性低于人胰岛移植

来源于人类的胰岛捐献,太过艰难。医学界将胰岛的来源瞄准到了其他的动物。同为哺乳动物的人类和猪、牛这些动物,在基因层面的相似度非常高,超过80%。而具体到胰岛、胰岛素层面,差异就更加小。以牛为例,人、牛的胰岛素差异只在三个氨基酸上的差异。而猪的,就只差了一个氨基酸,猪胰岛素的基因编码B链第30位为丙氨酸的密码子G CC,而人类胰岛素的基因编码在该处为A CG苏氨酸,更为接近。

于是来自中国、新西兰的医生一直在进行动物源性的胰岛移植研究。比如中南大学湘雅附三院的王维课题组对22例施行“猪-人”胰岛移植的糖尿病患者进行了复查。结果显示:手术后20例患者的胰岛素使用量减少了30%以上,属“有效”;其中6例减少了50 %以上,达“显著疗效”,其中1人脱离胰岛素达一周之久,为“暂时治愈”。

这一研究的关键在于,直接移植猪的胰岛,生物安全性问题并没出现。用了猪胰岛的患者,并没有因此更容易得猪流感或更容易感染猪链球菌。只是治疗糖尿病的效果不如人胰岛移植,毕竟两者存在一个氨基酸的差异。

编辑猪胰岛素基因

让克隆猪携带人胰岛

存在一个氨基酸的差异,那就用现在成熟的基因编辑技术对不同的地方进行修改。中科院广州生物医药和健康研究院的生物工程专家,决定就这么操作。而要让修饰后的基因能够稳定下来,让小猪乃至小猪的子孙都变成携带有人胰岛的纯合子猪。类似的基因修饰必须在小猪生命最初始的胚胎阶段进行,而且必须要应用到生物克隆技术。也就是说,这些携带人类胰岛的小猪,都是克隆猪。

李小平、王可品两位博士表示,从2012年开始,他们就开始进行相关的研究。“在对30-35天的小猪胎儿进行处理后,我们先期得到了小猪的成纤维细胞。”下一步,就是用这些成纤维细胞,通过克隆技术替换猪卵子的细胞核。由于卵子细胞中,绝大多数的遗传物质都集中在细胞核中,研究团队将成纤维细胞与猪卵细胞中的细胞核进行置换。由此生成的新的猪克隆胚胎细胞,再植入到母猪的输卵管中。剩下的怀孕、分娩工作,就由小猪的母亲自己完成。

“要满足医学临床试验用途,还需要扩大繁殖这一种类的猪群。毕竟一个I型糖尿病患者进行的胰岛移植,可能需要20头左右的小猪来提供。”李小平博士表示,扩大繁殖后,届时无论是用这些猪来生产人胰岛素也好,还是只提纯猪的胰岛用来进行胰岛移植手术也好,都更加便利了。

揭秘

“小猪”成本一年200多万比团队人力成本还高

猪是多胎生物,待母猪足月分娩出7头小猪后,试验团队对其初步检测发现:其中3头是杂合子猪,其胰岛素基因只修饰了一半,另外四头是胰岛素基因全部被修饰的纯合子猪。由于检测需要,研究团队杀了其中一头纯合子猪进行DNA、基因、蛋白质检测。“加上这些克隆小猪往往体弱多病,呆呆笨笨的不会主动喝奶,不喝牛奶。4头纯合子猪中的一头在成长过程中已经夭折。目前我们只剩下了2头纯合子猪。”

为了这些个克隆小猪能健康成长,研究团队也是煞费苦心。“自己不会吃,我们就挤猪奶喂养。体弱多病,我们就时不时地带它们出去遛遛。我们整个团队一年的科研用猪维持成本就200多万,比研究团队的人力资源成本还高。”

团队成员之一的王可品博士研究生告诉记者,由于两头“纯种”猪都是雄性公猪,试验团队还计划通过下一步克隆猪来产生“纯种”的雌性母猪。这样,就无需再通过克隆技术来高成本地产生基因编辑猪了。通过正常的繁衍,基因编辑猪的子代、孙代,都是只携带人类胰岛的基因编辑猪。

除了提供胰岛猪还能替人类生病、试药

这些猪胰岛在移植进入人体后,是否排斥更加强烈呢?李小平表示不会,所谓排斥,是指人体自身的免疫细胞对植入物的抵抗。在新的材料出现后,胰岛移植所用的包裹材料已经细微到了只有纳米大小的孔径。这一材料完全可以对植入的胰岛进行保护、隔离。“人体的免疫细胞如T细胞、NK细胞根本无法穿透这么小的包裹材料,也就无法攻击到植入的胰岛。”

下一步,李小平称希望能够在猴子这一灵长类动物身上进行基因编辑猪胰岛的移植试验。随后在经过临床试验后,投入到医学领域用于治疗糖尿病。两位博士表示,现代医学发现,在人类所有的遗传性疾病中,大多数疾病属于明确的基因点突变疾病。在明确了发病原理后,科学家们已经能通过猪等其他生物来模拟人类的疾病了。“通过基因编辑技术,我们可以让猪也患上地中海贫血、帕金森、衰老等疾病。然后反过来用现有的化合物来对动物模型进行治疗。这就是模式生物在为现代医学界选药过程中发挥的巨大作用。”

注射胰岛素

短效胰岛素,吃了饭就要打一针;长效胰岛素,需要一天打两针。在现阶段治疗糖尿病的关键还是打胰岛素,而且患者患病越久,使用的剂量往往越大。

人类胰岛移植

从1977年就开始进行尝试。截至2012年,全世界一共有1400人接受了人类胰岛的移植。但目前的移植成功率大约是58%。

猪胰素“整形”

通过对小猪基因的编辑,该小猪和其子代、孙代出生的小猪都变成了分泌人类胰岛素的“亲人(猪)”。经过后续的研发,这一技术有望在5年内进入临床试验,随后进入临床应用。

出品:南方都市报科学新闻工作室 主持:陈养凯 采写:南都记者 王道斌 实习生 赖学韬 通讯员 黄博纯