Áttörés a fajok közti szervátültetésben

Sorra jelennek meg hírek arról, hogy sikeres xenotranszplantációt hajtottak végre állatokon, illetve állatokon és embereken. 2021-ben sertésvesét ültettek emberbe, 2022-ben pedig két hónapig sikerült életben tartani egy férfit genetikailag módosított disznószívvel. Bár a xenotranszplantáció még mindig gyerekcipőben jár, jelentősek az eredmények, nemrég pedig egy magyar kutató is részt vett az eddigi legsikeresebb állatkísérletben: Héja Dávid és kutatótársai az eGenesis vállalattal genetikailag módosított disznóvesét ültettek makákókba, az egyik ilyen állatot pedig több mint két évig sikeresen életben tartották a műtét után.

Ez a túlélési idő az egyik leghosszabb a fajok közötti transzplantáció esetében – és közelebb visz ahhoz, hogy állatoktól származó szerveket emberekben is sikeresen használhassuk.

Békabőr és páviánhere

A különböző állatok, illetve az állatok és emberek fizikai jellemzőinek keverése az idők kezdete óta izgatta az emberek fantáziáját: elég azokra a mitikus lényekre gondolni, amelyek félig ember, félig állat testben élnek, vagy azokra, amelyek két, esetenként több állat „összegyúrásából” keletkeztek. A lamasszut, vagyis az emberi, madár és vagy szarvasmarha-, vagy oroszlán külső jegyeit egybegyúró mezopotámiai mitikus lényt például a Nemzetközi Xenotranszplantációs Szövetség és annak hivatalos tudományos folyóirata, a Xenotransplantation mitológiai alakjának választotta.

A xenotranszplantációhoz lazán kapcsolódó vér-xenotranszfúzió, vagyis vérátömlesztés egészen a 17. századig nyúlik vissza. A 19. században a bőrátültetések váltak viszonylag népszerűvé a különböző állatfajok és az emberek között. Az a tény, hogy sok donorként használt fajnak – juhoknak, nyulaknak, kutyáknak, macskáknak, patkányoknak, csirkéknek és galamboknak – szőrzete vagy tollazata nőtt ki a transzplantált bőrből, nem zavarta különösebben az érintett sebészeket, de az volt inkább a tendencia, hogy olyan állatfajokat használtak fel, amelyeknél ez a probléma nem állt fenn. Úgy tűnik, hogy az ideális átültetési alanyok a békák lehettek, amelyeket néha elevenen nyúztak meg. Ezek az átültetések sikeresek lehettek abból a szempontból, hogy a bőrfekély fedezésére használva védelmet nyújtottak legalább néhány napig, miközben a fekély begyógyult az átültetett bőr alatt. Valószínűleg azonban a transzplantáció nem volt végleges, és az extra bőrt ilyenkor eltávolították.

Figyelemre méltó, hogy már 1838-ban elvégezték az első szaruhártya-xenotranszplantációt (sertésből) egy betegen, míg az első sikeres szaruhártya-allotranszplantációt (vagyis emberről emberre) csak több mint 65 évvel később, 1905-ben hajtották végre. Az első szervátültetéshez szükséges sebészeti technikák kifejlesztése 1912-ben Nobel-díjat ért Alexis Carrel francia orvosnak, aki az erek anasztomózisára alakított ki megfelelő eljárást. Carrel később érdeklődött a xenotranszplantáció iránt is.

Carrelnél kezdte pályafutását Serge Voronoff sebész is, akinek fő érdeklődése az volt, hogy visszafordítsa az öregedés hatásait az idős férfiaknál, akik „elvesztették az életkedvüket”. Ehhez csimpánz- és páviánhere-átültetést hajtott végre – felszeletelte az állati heréket, és a szeleteket a befogadó férfi heréjébe helyezte. Amilyen borzasztóan hangzik, valószínűleg olyan hatástalan is volt az eljárás, de az Atlanti-óceán mindkét partján hamar népszerűvé vált, és több száz ilyen műtétet hajtottak végre. Meglepő módon viszonylag ritkák a szövődményekről szóló korabeli beszámolók.

Jelenleg az egyik legnépszerűbb szervjelölt a xenotranszplantációra a vese, többek között azért, mert a veseátültetésre várók esetében jellemzően a leghosszabb a várólista. 1905-ben a hereszelet-transzplantációhoz hasonlóan nyúlvese-szeleteket ültettek egy veseelégtelenségben szenvedő kisfiú szervezetébe, és bár az első eredmények jók voltak, a gyerek pár napon belül meghalt tüdőödémában. 1906-ban Franciaországban sertés- és kecsekevesével is próbálkoztak, 1910-ben Németországban pedig majomvesét ültettek át. Egyik eset sem végződött hosszú távú gyógyulással. Az első sikeres emberi veseátültetést amúgy csak 1954-ben sikerült véghezvinni.

Három nagy megoldandó probléma előtt áll a technológia

Xenotranszplantáció esetében valójában három nagy kihívás áll a tudomány előtt: az egyik nyilvánvalóan az, hogy a beültetett szervet elfogadja a célszervezet, a másik az, hogy a donorként szolgáló állatokban esetleg megbúvó kórokozók ne aktiválódjanak az emberi szervezetben, komoly károkat, esetleg veszélyes járványokat is indítva. A harmadik megoldandó probléma a megfelelő immunszupresszánsok kifejlesztése, mivel a „hagyományos”, azaz emberből emberbe történő transzplantáció során használt gyógyszerek nem elegendők ebben az esetben. Ez az újfajta immunszupresszáns jelenleg klinikai vizsgálatok alatt áll, egyetlen formája sincs engedélyeztetve, de a kifejlesztése egy olyan aktív terület, ami befolyásolhatja az egész technológia sikerességét.

„A xenotranszplantáció a ‘80-as, ‘90-es években érte el az első sikereit, amikor először ültettek át sertésszerveket majmokba, illetve perfúziós kísérleteket is sikeresen végeztek a két faj között” – mondta a Telexnek Héja Dávid, az eGenesis szenior kutatója. A szakértő immunológiai kutatásaihoz szükséges szakmai tudásának jó részét az ELTE TTK Biokémiai Tanszékén végzett doktori tanulmányai, majd a bécsi és később a New York-i Mount Sinai orvosi egyetemek transzplantácios kutatócsoportjaiban végzett posztdoktori munkája során szerezte meg. „A sertés és az ember között van körülbelül 80 millió évnyi evolúciós távolság, és ez az immunológiai reakcióban is megmutatkozik. Egy malacszerv perceken belül kilökődik egy majom befogadóból, tehát a főemlősök, így az ember is, ellenséges, ismeretlen testként ismerik fel a disznók szerveit. Ezt úgy hívják, hogy hiperakut szervkilökődés.”

Azért a malacokat tartják optimális donorállatnak, mert szervméretük, élettani anyagcseréjük hasonló az emberéhez. A célállatot is jellemzően az alapján választják ki, hogy a legjobban utánozni tudja az immunrendszere az emberi immunrendszer működését – de végeztek már xenotranszplantációt ettől függetlenül rágcsálókon, például egereken és patkányokon, vagy nyulakon is.

Az ezzel foglalkozó tudósok hamar rájöttek: az instant kilökődés oka az, hogy a főemlősökben, tehát az emberekben és a majmokban eleve ellenanyag van a malacszervek ellen, ezek pedig beindítanak egy azonnali immunreakciót, ami a veleszületett immunrendszeren keresztül fejti ki a hatását. „A probléma kiküszöbölésére létrehoztak olyan malacokat, amelyek expresszálnak emberi immunregulátor-géneket, ezzel sikerült percekről napok hosszúságúra növelni a szervet kapó majmok túlélési idejét. Aztán eltelt tíz év, és a 2000-es évek elejére kiderült, hogy nem csak az immunrendszerek inkompatibilitásáról van szó, hanem megtalálták azokat az antigéneket is, amelyeket az ember és a majom immunrendszere felismer. Ezek szénhidrát-antigének, vagyis olyan cukormódosulások a sejtek felszínén, amelyek valamiért nagyon erős immunválaszt váltanak ki a szervátültetettben.”

Miután ezeket sikerült azonosítani, „elkészítették” az első xenoantigén-kiütött malacokat, így nagy mértékben lecsökkent a célállat, rendszerint a majom immunválasza a beültetett szervekre. „Ha ezt összekötjük a humán gének beültetésével, egészen hosszú, akár hónapokig tartó túlélési időt is sikerül elérni. Ez volt a helyzet körülbelül a 2000-es évtized vége felé” – mondta Héja Dávid. Ez azonban még messze volt a valós sikertől, ráadásul egy másik probléma is felvetődött: a korábban is említett zoonotikus betegségek kérdésköre.

„A disznóval, mint donorral, nagy probléma, hogy zoonotikus fertőzések forrása lehet” – mondta a kutató.

„Ez egyfelől lehet exogén, tehát ha a malac hordoz valamilyen patogént, azt át tudja adni a recipiensnek. Ezt meg lehet oldani úgy, hogy a malacokat steril körülmények között tenyésztik, ami nagy feladat, de nem lehetetlen. Viszont a nagyobbik probléma, ami nem oldható meg a steril körülmények közti tenyésztessel sem, az az, hogy a malacok a genomjukban is hordoznak úgynevezett retrovírusokat, amelyekről kimutatták, hogy aktiválódhatnak az állatban. Kutatások kimutatták, legalább is in vitro kísérletekben, hogy ezek funkcióképes virális partikulumokat hoznak létre, és képesek emberi sejteket is megfertőzni.”

A koronavírus-járvány óta tudjuk, hogy a zoonózis, vagyis az állatról emberre ugró fertőzés milyen komoly veszélyeket hordozhat – elvileg a Covid-19-nél akár sokkal halálosabb, sokkal virulensebb kórokozó is kiszabadulhatna így egy transzplantáción átesett emberből. Az amerikai gyógyszerfelügyeleti hatóság (FDA) a zoonózisos vírusok felfedezése után azonnal le is állította az ilyen jellegű kísérleteket.

A génszerkesztő olló hozta meg az áttörést

A 2010-es évek elején kifejlesztették a CRISPR-Cas9 nevű génszerkesztési technológiát, ami óriási áttörést jelentett a xenotranszplantáció területén is. Ez lehetővé tette a kutatóknak a DNS célzott szerkesztését, pontosan és minden addiginál rugalmasabban. Az eszközzel nem kívánt darabkákat lehet a DNS-ből kivágni, vagy akár kicserélni más szegmensekkel. Lehetővé vált az is, hogy a bizonyos malacfajtákban 50-70 genomi kópiaszámra rúgó retrovírusokat eltüntessék. „Egy Harvardon dolgozó genetikusprofesszor, George Church volt az első, aki kimutatta, hogy a CRISPR-rendszert emlőssejtekben is lehet használni gének szabás-varrásához. Később az ő laborja volt az első, amely a CRISPR-Cas9-rendszert arra használta, hogy malacsejtekben inaktiválja az összes kópiát a szóban forgó endogén retrovírusból” – mondta Héja Dávid.

A projekt sikeres volt, most már képesek az összes ilyen virális kópiát inaktiválni a teljes genomban. „Áttörés volt, hogy egyrészt élő sejteket tudtak produkálni, tehát nem okozott akkora genominstabilitást az eljárás, hogy a sejtek elpusztultak volna, másrészt azt is kimutatták, hogy a retrovírusok inaktiválása után a sejtek már nem voltak többé képesek emberi sejteket fertőzni.”

A következő lépések során nem csak sejteket, hanem teljes élő állatokat is létrehoztak úgy, hogy ezek a retrovírusok ki voltak kapcsolva bennük. Ez a kutatási eredmény indította Church professzort az eGenesis biotechnológiai cég megalapítására, ahol Héja Dávid is dolgozik immunológus kutatóként. „Innentől a cél az volt, hogy ezt a két nagy problémát, az immunológiai inkompatibilitást és a retrovirális fertőzésveszélyt a genommódosítás segítségével legyőzzük” – mondta a kutató. „Létre akarunk hozni olyan donorállatokat, amelyekben nincsenek meg ezek a retrovírusok, nem fejeznek ki antigéneket, amelyeket az emberek vagy a majmok szervezete felismerne, a kompatibilitás szempontjából kérdéses géneket pedig humanizáljuk humán immunregulátor gének beültetésével.”

Mivel a CRISPR-Cas9 nagyon megkönnyítette a génszerkesztési munkát, a feladat innentől már „csak” annyi lenne, hogy a megfelelő géneket kiiktassák, megszerkesszék, hozzáadják a malac genomjához, aztán az ilyen, transzplantáció szempontjából tökéletes állatokat hagyományos módszerekkel tovább tenyésszék. Ez azonban csak így leírva tűnik egyszerűnek, valójában rengeteg kihívással jár.

Hibák is becsúszhatnak a génszerkesztésben

„Az első nagy, és igencsak sok erőforrást igénylő lépés a donorállatok létrehozása, ami inkább génszerkesztési nehézség. Ez a nehézség abban áll, hogy a sejtek nem őssejtek, hanem testi sejtek; limitált, hogy hány osztódásra képesek. Márpedig hetven gén módosítását nem lehet egyetlen lépésben megoldani” – mondta Héja Dávid.

A kutatócsoport végül 69 gént tudott módosítani, ami a legkiterjedtebb szerkesztés, amelyet valaha élő sertéseknél végeztek xenotranszplantáció céljából.

„Az ilyen sejtek elöregednek, nem lesznek képesek tovább osztódni, ezért az egyetlen lehetséges út sokáig az volt, hogy bizonyos időközönként, bizonyos mennyiségű genetikai változtatás után, az így kapott testi sejtből kellett létrehozni klónozással egy malacot. Amikor kiütöttük ezeket a szénhidrát-antigéneket, létrehoztuk az első körös génszerkesztett disznót. Az állatnak három hónapos a vemhességi időszaka, aztán még két hónap, amire egy újra testi sejtet adó kismalac létrejön. Ezután egy következő kör genomi szerkesztésre van szükség, itt már bevisszük a humán géneket, aztán egy harmadik körrel pedig a retrovírusokat inaktiváljuk. Tehát minden genommódosítás közben klónozással létre kell hozni egy malacot. Ez több hónapnyi, több évnyi munka.”

A kutatócsapat munkája két dologban igazán különleges: egyrészt az eGenesisnek sikerült létrehoznia az összes ismert, a klinikai fázisú vizsgálatokhoz szükségesnek tartott mozaikdarabot egyetlen genetikailag módosított malacdonor-prototípusban, majd azt a majmokban sikeresen tesztelte. Megvan tehát a „térkép”, ami alapján a jövőbeli donorállatokat meg lehet alkotni, és tovább lehet tenyészteni. Másrészt a kutatócsoportnak nagyon pontosan sikerült karakterizálnia azt a donorállatot, amely végül alkalmas volt a szervátültetésre. „Még mielőtt beültetnénk bármit is a majmokba, pontosan megpróbáljuk karakterizálni a donorállatokat, ami kiterjed minden biológiai szintre. Ez volt az egyik oka annak, hogy a cikkünk megjelent a Nature-ben: ilyen alaposan még soha nem karakterizáltak jól működő donorokat. DNS szintjén kimutattuk, hogy a módosítások ott vannak, és, ami kicsit még nehezebb, azt is kimutattuk, hogy jelentkeztek-e olyan változások, amiket nem szerettünk volna. RNS-szinten azt tudtuk kimutatni, hogy a gének funkcióképesek. Aztán volt immunológiai vizsgálat, amiben a szóban forgó fehérjékről kimutattuk, hogy funkcióképesen vannak jelen, vagyis az immunológiai folyamatot, ami a kilökődésért felelős, meg tudják állítani. Ezt mindig minden donorállatnál elvégeztük, és ha igazoltnak láttuk őket, akkor kerülhetett sor a transzplantációra.”

A CRISPR-Cas9 technológia nem menti meg a génszerkesztést attól, hogy esetenként nem várt változások is becsússzanak a folyamat során. Mivel az eszköz úgy működik, hogy gyakorlatilag elvágja a DNS-t, a szervezet azt megpróbálja megjavítani, ez pedig néha nem úgy sikerül , ahogy kellene. Kromoszómaátrendeződés, mutációk is kialakulhatnak. „A CRISPR-Cas9-nél a vágást végző Cas9 enzimet egy RNS segítségével nagy precizitással a megfelelő helyre irányítják, de biológiai rendszerekről lévén szó, még ez sem jelent száz százalékos pontosságot” – mondta a szakértő.

„Ezért kell mindig arra is számítani, hogy a célzott beavatkozáson kívül úgynevezett off-target hatások is lehetnek, tehát olyan genomi részek is módosulhatnak, amikhez nem akartunk hozzányúlni. Ezért nagyon alapos vizsgálatokat végzünk, rengeteg génmódosított malacsejtet hozunk létre, és megkeressük azokat a klónokat, amelyek egészségesnek tűnnek. Ezek közül teljes genomszekvenálással ki tudjuk választani azokat, amelyeknél a genom többi részét rendben találjuk, és csak ott történt módosítás, ahol azt mi szerettük volna.” Transzplantációs donor csak ezekből az állatokból lehet.

Etikus-e a veséjéért tenyészteni egy malacot?

Persze az, hogy speciálisan arra a célra szerkesztett állatokat tenyésszen az ember, hogy aztán szervdonorként felhasználhassa őket, felvet néhány etikai kérdést. Az állatjogi és állatetikai szempont régóta terítéken van, de érdemes kontextusba helyezni. „A kérdést két részre lehet bontani: egyrészt a klinikai vizsgalatok engedélyeztetéséhez nagyon gyakran szükségesek majmokon végzett preklinikai vizsgálatok, amelyek komoly allatjogi és etikai aggályokat vetnek fel. A probléma kezelésére az FDA új, állatbarát követelményrendszert es irányelveket fogadott el az idei évben. A másik kérdés a donorállat létrehozása, ami miatt én etikai szempontból kevésbé aggódnék. Húsipari célokból sok nagyságrendekkel több malacot tenyésztenek, mint ehhez valaha is fognak.”

„Ha ellátnánk az Egyesült Államok teljes szervátültetésre váró lakosságát sertés-donorszervekkel, még úgy is több nagyságrendnyi különbség lenne az állatok száma között; és egyiket a húsfogyasztáshoz, élelmiszerként, míg a másikat pedig emberéletek megóvása érdekében tenyésztjük”

– mondta Héja Dávid. Az állatkísérletek kérdése persze továbbra is súlyos dilemmákat vet fel, az orvostudomány próbálja abba az irányba terelni a gyógyszerkutatásokat, hogy minimalizálja ezeknek a számát.

Azt, hogy milyen messze van az első olyan szervátültetés, amit nagy résztvevőszámos klinikai kutatásokban végeznek el, nehéz megmondani. A területen párhuzamosan történnek a dolgok, több kutatócsoport dolgozik a megoldáson, van, aki szív-, van, aki vese-, van, aki májátültetesen dolgozik. „Amikor 2022 elején megtörtént az első szívátültetés egy malacdonorból emberi páciensbe, nagyon jó eredményt sikerült elérni. Egy végstádiumú, nagyon rossz általános egészségi állapotú beteg kapott egy módosított malacszívet, a szerv pedig a beteget még két hónapig életben tudta tartani” – mondta Héja Dávid. Annak idején, az első emberből emberbe történő szervátültetés túlélési időtartama csak néhány óra volt, ehhez képest elsőre a két hónap biztatónak számít.

Sok a kihívás azonban: olyan betegeket is kellene például használni, akik nem végstádiumú betegségben szenvednek. A fent említett kutatócsoport két xenotranszplantációjához ugyanis csak olyan alanyt választhatott ki, akiknek már semmi más esélyük nem volt arra, hogy szervet kapjanak a hagyományos útvonalon. „Egy jól tervezett klinikai vizsgálatban van megfelelő statisztikai erő, hogy abból valódi, hasznos információt tudjunk kinyerni; egyetlen betegből a véletlenszerűség miatt nem nagyon lehet előre megmondani, hogy az eredmény mennyire lesz jellemző a teljes populációra.”

Ilyen jól tervezett kutatások nélkül azt is nehéz megmondani, hogy mekkora a különbség ember és ember immunrendszere között, illetve, hogy ez mennyire szól bele abba, hogy a beteg szervezete befogadja-e más állatfaj szervét. Sok mindent tudni már a majomkísérletekből is, de az emberi szervezetre jellemző részleteket csak nagy résztvevőszámos klinikai kutatásokból lehet majd levonni.

Ami pedig megint csak felhoz egy sor etikai kérdést: ha végstádiumú betegekről van szó, akik biztos, hogy nem kapnának másik szervet, könnyebb a döntés, mint akkor, ha egyébként egy vese nélkül, dialízissel viszonylag jó életminőségben élő alanyt válogatnának be a kutatásokhoz. Pedig az lenne a cél, hogy ezen a populáción is kikísérletezzék, mennyire fogadja be a szervezet az idegen szervet. „Az a probléma, hogy a végstádiumú betegekből nem lehet általános következtetéseket levonni arra a populációra, ahol a xenotranszplantációt valójában majd használni szeretnénk, akik többnyire sokkal egészségesebb, általánosan jó állapotban lévő betegek. Nagyon nehéz etikai kérdés, hogy ha az ember dialízissel még éveket tudna élni, etikus-e bevonni egy ilyen teljesen új technológia szükségszerűen valamennyire kockázatos tesztelésébe.”

A sikeres állatkísérletet az FDA jelenleg úgy határozza meg, hogy a célállatnak, vagyis a majomnak legalább egy éven keresztül túl kell élnie az új szervvel. Ezt Héja Dávid és kutatótársai bőven megugrották. „Ezeket a kísérleteket azért végeztük el, hogy elkezdhessük az engedélyeztetési folyamatot” – mondta. Az eGenesis sikeres kísérlete pedig nagyon biztató mérföldkövet jelent a klinikai kutatások engedélyeztetéséhez.

„Ahhoz, hogy egy ilyen volumenű projekt összejöjjön, a világ élvonalába tartozó szakmai tudású kutatókkal kellett együtt dolgoznunk, például genomszerkesztés, immunológia és klónozás területén. Ezen kívül cégen kívüli kutatócsoportokkal is együttműködtünk, például a Harvard Egyetem transzplantációs sebészei segítették a munkánkat” – mondta Héja Dávid.