Nerka świni przeszczepiona człowiekowi: sukces po niepowodzeniach?

Miniaturowa świnia. Źródło: Wikimedia Commons, Fcobmz. Licencja CC BY 4.0.

Zapotrzebowanie na narządy do przeszczepów znacznie przekracza liczbę ich dawców. I tak w USA 90 000 osób czeka na przeszczep nerki, z czego ponad 3000 rocznie umiera. Dlatego od lat myśli się o przeszczepianiu narządów od zwierząt, przy czym najlepszym kandydatem jest miniaturowa świnia (na zdjęciu).  Dlaczego miniaturowa? Bo jej masa ciała (ok. 70 kg) jest zbliżona do masy człowieka, tak więc organy wewnętrzne (nerka, wątroba, serce) są też podobnej wielkości. Taki przeszczep nazywa się ksenoprzeszczepem, ale jego powodzenie zależy od dwóch czynników: podobnie jak inne gatunki ssaków, świnia ma antygeny powierzchniowe, które są rozpoznawane przez przeciwciała człowieka. Wymaga to modyfikacji genetycznych polegających na usunięciu lub wyciszeniu genów kodujących takie antygeny.

Po drugie, świnia (podobnie jak każde inne zwierzę) może być nosicielem wirusów. Takie wirusy mogą przechować się w narządzie przeszczepionym człowiekowi i zaatakować nowego gospodarza. Tak stało się w przypadku pierwszego przeszczepu serca świni, który miał miejsce w 2022 r. Pacjent zmarł po 40 dniach z powodu zaburzeń układu krzepnięcia krwi, spowodowanych pośrednio przez świński cytomegalowirus obecny w komórkach przeszczepionego serca. U człowieka wirus ten może powodować chorobę nazywaną cytomegalią, na którą chorują głównie niemowlęta. Jeżeli jednak nasz układ odpornościowy nie jest upośledzony, to cytomegalowirus nie czyni na ogół specjalnych szkód. Pacjentom z przeszczepionymi narządami podaje się jednak leki obniżające odporność, są więc oni szczególnie narażeni na zakażenia wirusami.

Kolejna próba przeszczepienia narządu od świni człowiekowi miała miejsce 16 marca 2024 r. Lekarze z Massachusetts General Hospital w Bostonie przeszczepili 62-letniemu pacjentowi nerkę od genetycznie modyfikowanej miniaturowej  świni rasy Yucatan. Na czym polegała ta genetyczna modyfikacja?

Geny, które usunięto

Największy problem podczas przeszczepiania narządów stwarzają cukry (oligosacharydy), których nie ma u człowieka. Ponieważ stykamy się z takimi cukrami, np. w postaci elementów bakterii żyjących w naszym przewodzie pokarmowym, to wytwarzamy przeciwciała które je rozpoznają. Tak właśnie dzieje się w przypadku grup krwi A/B/AB/O, które też są cukrami. Dlatego osoby z antygenami A produkują przeciwciała anty-B i vice versa. Świnie rasy Yucatan, od których pochodziła przeszczepiona nerka, mają akurat grupę O, więc ludzkie przeciwciała anty-A/B nie powinny stwarzać problemów. Ale te świnie, podobnie jak inne zwierzęta, mają inne antygeny cukrowe nieobecne u ludzi, i to właśnie tych antygenów nie może być w przeszczepianych narządach. Są trzy takie cukrowe ksenoantygeny (czyli antygeny obce gatunkowo):

Galaktoza α1→3

Galaktoza przyłączona wiązaniem α1→3 do innej galaktozy to najważniejszy ksenoantygen związany z przeszczepami. Występuje na powierzchni komórek większości organizmów, w tym u bakterii i protistów, a także ssaków, w tym małp Nowego Świata (Platyrrhini, małpy szerokonose występujące w Ameryce Południowej i Środkowej). Antygen ten jest natomiast nieobecny u małp wąskonosych (Catarrhini), czyli małp Starego Świata, w tym człekokształtnych wraz z ludźmi. Antygen Galα1→3Gal powstaje w wyniku reakcji katalizowanej przez enzym o nazwie α1,3-galaktozylotranferaza (kodowana przez gen GGTA1). Mutacja powodująca, że białko u ludzi i małp wąskonosych jest nieaktywne, miała miejsce ok. 28 milionów lat temu. Uważa się, że stało się tak w wyniku presji ewolucyjnej ze strony patogenów, w tym chorobotwórczych bakterii (Neisseria, Klebsiella i Salmonella), a także protistów z rodzajów Trypanosoma i Plasmodium (Ryc. 1).

Ryc. 1. Powstawanie antygenu Galα1-3 (czerwony kolor). Źródło: Suchanowska A. et al., Post. Hig. Med. Dośw. 2009, 63: 250-257. Licencja CC BY 4.0.

Kwas N-glikoliloneuraminowy

Na powierzchni komórek większości zwierząt występuje kwas N-glikoliloneuraminowy. Należy on do grupy cząsteczek nazywanych kwasami sjalowymi (od saliva, czyli ślina po łacinie). Powstaje on z kwasu N-acetyloneuraminowego w wyniku przyłączenia grupy -OH, katalizowanej przez enzym o nazwie hydroksylaza kwasu CMP-N-acetyloneuraminowego (CMAH). Enzym ten jest nieaktywny u ptaków i ryb, a wśród ssaków m.in. u człowieka, małp Nowego Świata, niektórych nietoperzy, jeża i fretki. Dlatego kwas sjalowy u tych gatunków nie ma grupy -OH. Mutacja powodująca utratę aktywności miała miejsce u przodków człowieka ok. 2-3 miliony lat temu, prawdopodobnie w wyniku presji ze strony zarodźców z rodzaju Plasmodium powodujących malarię. Podobnie jak w przypadku antygenu Galα1→3Gal, organizmy mające tylko kwas N-acetyloneuraminowy (w tym ludzie) produkują przeciwciała rozpoznające kwas N-glikoliloneuraminowy (Ryc. 2).

Ryc. 2. Dwa rodzaju kwasów sjalowych: N-acetyloneuraminowy i N-glikoliloneuraminowy. U człowieka występuje tylko kwas N-acetyloneuramionowy. Grupę -OH zaznaczono czerwonym kółkiem. Według: Burzyńska P. et al. Biomolecules 2021, 11: 831. Licencja CC BY 4.0.

N-acetylogalatozamina β1→4

Nazywany też antygenem Sd. Powstaje w wyniku przyłączenia N-acetylogalatozaminy β1→4 do galaktozy, katalizowanego przez enzym o nazwie  β1,4-N-acetylogalaktozaminotransferaza 2 (B4GALNT2). Mutacje w genie kodującym ten enzym powodują, że jest nieobecny u ok. 1% ludzi (ale inne ssaki go mają). Takie osoby mają grupę krwi Sd(a-), w odróżnieniu od osób z grupą krwi Sd(a+), kiedy antygen ten jest obecny. Jest to podstawa układu grupowego krwi Sd. Większość osób Sd(a-) ma przeciwciała anty-Sd (Ryc. 3).

Ryc. 3. N-acetylogalaktozamina β1→4 (zaznaczona niebieskim kółkiem). Według: Groux-Degroote S. et al., ChemBioChem 2021, 22: 3381. Licencja CC BY 4.0.

Obecność trzech wymienionych antygenów cukrowych na powierzchni komórek narządów zwierzęcych może powodować zjawisko znane jako odrzucenie przeszczepu spowodowane przez przeciwciała. Dlatego konieczne jest „unieszkodliwienie” genów kodujących białka odpowiedzialne za powstawanie tych antygenów. Zrobiono to za pomocą powszechnie ostatnio stosowanej metody CRISP-Cas9 (to temat na osobny wpis).

Geny, które dodano

W zasadzie usunięcie genów kodujących trzy antygeny cukrowe powinno wystarczyć, żeby nerka świni mogła być przeszczepiona człowiekowi, ale układ odpornościowy człowieka może zawsze w obcej tkance rozpoznać coś, czego nie jesteśmy w stanie przewidzieć.  Dlatego świnia-dawca została zmodyfikowana poprzez wstawienie siedmiu ludzkich genów. Były to m.in. geny kodujące białka hamujące stan zapalny, aktywację układu krzepnięcia krwi i aktywację układu odpornościowego.

Wirusy, które unieszkodliwiono

Aby zminimalizować możliwość aktywacji wirusów, których DNA może być obecne w przeszczepianym narządzie, usunięto 59 sekwencji kodujących sekwencje wirusowe. Były to przeważnie fragmenty DNA kodujące świńskie retrowirusy endogenne (porcine endogenous retroviruses, PERV). Podobnie jak u człowieka, są to wirusy RNA, które dzięki enzymowi o nazwie odwrotna transkryptaza mają zdolność do przepisywania informacji genetycznej z RNA na DNA, który następnie zostaje włączony do genomu gospodarza. Takie wirusy miliony lat infekowały komórki rozrodcze ssaków, a dziś ich sekwencje stanowią kilka procent genomu. Świnie mają co najmniej 50 rodzajów sekwencji PERV; można je podzielić na trzy grupy: PERV-A, B i C. Wiadomo, że wirusy PERV-A i B mogą zakażać ludzkie komórki. Większość z tych sekwencji jest nieaktywna, ale niektóre mogą kodować wirusy zdolne do zakażania, zwłaszcza w sytuacji, kiedy narząd świni znajdzie się w organizmie innego gatunku. Może też mieć miejsce rekombinacja dwóch nieaktywnych sekwencji, czego skutkiem może być aktywny wirus. Dlatego korzystając ze wspomnianej  technologii CRISP-Cas9  z genomu świni usunięto sekwencje PERV (Ryc. 4).

Ryc. 4. Cykl życiowy endogennnych świńskich wirusów (PERV). Według: Łopata K. et al., Fr. Microbiol. 2018, 9: 730. Licencja CC BY 4.0.

Co dalej? Miejmy nadzieję, że nic złego się nie przydarzy i pacjent z przeszczepioną nerką świni przeżyje jeszcze wiele lat. Jeżeli tak się stanie, będzie to prawdziwy przełom w transplantologii.

Literatura dodatkowa

Pierwszy przeszczep świńskiej nerki

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00879-y

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06594-4

Śmierć pacjenta z przeszczepionym sercem świni

https://www.technologyreview.com/2022/05/04/1051725/xenotransplant-patient-died-received-heart-infected-with-pig-virus/

Antygen Galα1→3Gal

https://phmd.pl/resources/html/article/details?id=51663&language=en

Kwas sjalowy

https://www.mdpi.com/2218-273X/11/6/831

Świńskie wirusy endogenne

https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2018.00730/full