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【南方都市報】中科院廣州生物院成功獲得完全產生人胰島素的基因編輯豬
南都訊 由於胰島素分泌的缺乏或產生了對胰島素的抵抗,人體代謝葡萄糖的能力就會下降,而體內的葡萄糖不能適時代謝,就會出現相應的酮中毒情況,危及心腦血管不說,嚴重的甚至會致命。日前,中科院廣州生物醫藥和健康研究院賴良學課題組,通過對小豬基因的編輯,在對其特定基因進行精準的修飾後,該小豬和其子代、孫代出生的小豬都變成了分泌人類胰島素的“親人(豬)”。“隨著材料學的進步,在目前已經具備了生產植入體內,保護胰島不被人體自身攻擊的材料後,這些來自於豬的胰島,可直接通過移植等手段用來治療糖尿病”,課題組成員李小平博士表示,經過後續的研發,這一技術有望在5年內進入臨床試驗,隨後進入臨床應用。據悉,目前課題組的相關研究已在線發表在了國際知名的《分子細胞生物學雜誌》。
打胰島素
患病越久劑量越大
早在上世紀20年代,醫學界就發現了胰島素的功能。一開始,科學家在狗的身上發現,胰島素和能夠產生胰島素的胰島。深入研究後,醫學界發現這個胰島非常有趣。一般情況下處於不活躍的停滯狀態,隻要周圍的環境中葡萄糖濃度得到提升,胰島就會分泌胰島素來調控身體各個器官和組織代謝、分解葡萄糖。在牛、豬這些大動物身上是這樣,對人類的相關研究也是這樣。
有了這一理論的支撐,生物醫藥界、化學界一直在為糖尿病患者尋找最合適的胰島素來源。上世紀五十年代,英國科學家最早測定了牛胰島素的全部氨基酸序列,開辟了人類認識蛋白質分子化學結構的道路。1965年9月17日,中國科學家人工合成了具有全部生物活力的結晶牛胰島素,它是第一個在實驗室中用人工方法合成的蛋白質。
進入到21世紀,生物醫學有了長足的發展。“現在的技術,已經能夠直接產業化生產人胰島素。隻要將人胰島素基因導入到大腸杆菌內,使之有效表達即可生成。”李小平表示,但即便是產生出了足夠劑量的胰島素,依然還是存在著諸多的問題。比如使用短效胰島素,吃了飯就要打一針;長效胰島素,需要一天打兩針。萬一出現了紕漏,打多了一針,這些胰島素進入體內後是要去代謝糖分的。代謝過多,那就會出現低糖休克,甚至死亡。“即便是使用能夠適時檢測血糖濃度的胰島素泵,能夠根據患者的血糖情況及時注射胰島素。但患者必須帶著個一天24小時紮進體內的針來監測血糖,感染的風險加大。另一方麵,這種泵成本更高昂動輒數萬塊,而且需要反複地往泵裏添加胰島素。”在現階段治療糖尿病的關鍵還是打胰島素,而且患者患病越久,使用的劑量往往越大。
胰島移植
目前成功率不到六成
但牛的胰島素與人類自身胰島素存在著三個氨基酸層麵的差異,用於治療時需要更大的劑量,且更容易產生藥物依賴(胰島素越打越多)。於是醫學界從上世紀70年代開始進行胰島移植。
胰島隱藏在胰腺內,體積微小僅150-400微米大小。人類的胰腺含有75萬-200萬個胰島,經過提純後一般隻能保留20萬- 50萬個胰島。“雖然胰島也是器官,但和移植肝腎這樣的大器官不同。臨床胰島移植研究表明,1個胰島受者每1千克體重至少需要8000-10000個胰島,因此每個受者需要多個供體提供胰島,而供體本身非常有限,隻能來源於腦死亡的供體,且很難保證同時獲得多個配型吻合的供體。”李小平表示,胰島移植本身在技術上沒有什麼難度,隻要將胰島放置在人類皮下,保證其能和血液發生接觸即可,但器官來源太艱難了,正常的胰島移植需要同時植入2- 5個健康人提純的胰島,同時獲得這麼大量的胰島,難度可想而知。
從捐獻者處獲得人類胰島進行移植,其實從1977年就開始進行嚐試。截至2012年,全世界一共有1400人接受了來源於人類胰島的移植,也有越來越多的糖尿病患者脫離胰島素治療。但經曆了多次探索發展,目前的移植成功率也就是58%的水平。與糖尿病患者的要求仍存在一定差異。
移植豬胰島
有效性低於人胰島移植
來源於人類的胰島捐獻,太過艱難。醫學界將胰島的來源瞄準到了其他的動物。同為哺乳動物的人類和豬、牛這些動物,在基因層麵的相似度非常高,超過80%。而具體到胰島、胰島素層麵,差異就更加小。以牛為例,人、牛的胰島素差異隻在三個氨基酸上的差異。而豬的,就隻差了一個氨基酸,豬胰島素的基因編碼B鏈第30位為丙氨酸的密碼子G CC,而人類胰島素的基因編碼在該處為A CG蘇氨酸,更為接近。
於是來自中國、新西蘭的醫生一直在進行動物源性的胰島移植研究。比如中南大學湘雅附三院的王維課題組對22例施行“豬-人”胰島移植的糖尿病患者進行了複查。結果顯示:手術後20例患者的胰島素使用量減少了30%以上,屬“有效”;其中6例減少了50 %以上,達“顯著療效”,其中1人脫離胰島素達一周之久,為“暫時治愈”。
這一研究的關鍵在於,直接移植豬的胰島,生物安全性問題並沒出現。用了豬胰島的患者,並沒有因此更容易得豬流感或更容易感染豬鏈球菌。隻是治療糖尿病的效果不如人胰島移植,畢竟兩者存在一個氨基酸的差異。
編輯豬胰島素基因
讓克隆豬攜帶人胰島
存在一個氨基酸的差異,那就用現在成熟的基因編輯技術對不同的地方進行修改。中科院廣州生物醫藥和健康研究院的生物工程專家,決定就這麼操作。而要讓修飾後的基因能夠穩定下來,讓小豬乃至小豬的子孫都變成攜帶有人胰島的純合子豬。類似的基因修飾必須在小豬生命最初始的胚胎階段進行,而且必須要應用到生物克隆技術。也就是說,這些攜帶人類胰島的小豬,都是克隆豬。
李小平、王可品兩位博士表示,從2012年開始,他們就開始進行相關的研究。“在對30-35天的小豬胎兒進行處理後,我們先期得到了小豬的成纖維細胞。”下一步,就是用這些成纖維細胞,通過克隆技術替換豬卵子的細胞核。由於卵子細胞中,絕大多數的遺傳物質都集中在細胞核中,研究團隊將成纖維細胞與豬卵細胞中的細胞核進行置換。由此生成的新的豬克隆胚胎細胞,再植入到母豬的輸卵管中。剩下的懷孕、分娩工作,就由小豬的母親自己完成。
“要滿足醫學臨床試驗用途,還需要擴大繁殖這一種類的豬群。畢竟一個I型糖尿病患者進行的胰島移植,可能需要20頭左右的小豬來提供。”李小平博士表示,擴大繁殖後,屆時無論是用這些豬來生產人胰島素也好,還是隻提純豬的胰島用來進行胰島移植手術也好,都更加便利了。
除了提供胰島豬還能替人類生病、試藥
這些豬胰島在移植進入人體後,是否排斥更加強烈呢?李小平表示不會,所謂排斥,是指人體自身的免疫細胞對植入物的抵抗。在新的材料出現後,胰島移植所用的包裹材料已經細微到了隻有納米大小的孔徑。這一材料完全可以對植入的胰島進行保護、隔離。“人體的免疫細胞如T細胞、NK細胞根本無法穿透這麼小的包裹材料,也就無法攻擊到植入的胰島。”
下一步,李小平稱希望能夠在猴子這一靈長類動物身上進行基因編輯豬胰島的移植試驗。隨後在經過臨床試驗後,投入到醫學領域用於治療糖尿病。兩位博士表示,現代醫學發現,在人類所有的遺傳性疾病中,大多數疾病屬於明確的基因點突變疾病。在明確了發病原理後,科學家們已經能通過豬等其他生物來模擬人類的疾病了。“通過基因編輯技術,我們可以讓豬也患上地中海貧血、帕金森、衰老等疾病。然後反過來用現有的化合物來對動物模型進行治療。這就是模式生物在為現代醫學界選藥過程中發揮的巨大作用。”
注射胰島素
短效胰島素,吃了飯就要打一針;長效胰島素,需要一天打兩針。在現階段治療糖尿病的關鍵還是打胰島素,而且患者患病越久,使用的劑量往往越大。
人類胰島移植
從1977年就開始進行嚐試。截至2012年,全世界一共有1400人接受了人類胰島的移植。但目前的移植成功率大約是58%。
豬胰島素“整形”
通過對小豬基因的編輯,該小豬和其子代、孫代出生的小豬都變成了分泌人類胰島素的“親人(豬)”。經過後續的研發,這一技術有望在5年內進入臨床試驗,隨後進入臨床應用。
出品:南方都市報科學新聞工作室 主持:陳養凱 采寫:南都記者 王道斌 實習生 賴學韜 通訊員 黃博純
《南方都市報》2016年4月8日 科學版文章來源
《南方都市報》2016年4月8日科學版