異種移植
歴史
異種移植の最初の重大な試みは1905年に科学的な文献で発表された。Princeteauは腎臓機能不全の小児にウサギ腎臓の切片を移植した。20世紀の最初の20年間では、仔羊、ブタおよび霊長類の臓器を移植に使用するための努力が発表された。
その後、臓器移植の拒絶反応について免疫学的な仕組みがわかり、異種移植に対しての科学的な関心は減少した。しかし免疫抑制薬が発見され、異種移植の研究のブームが再来した。 1954年にジョセフ・マレーが最初に成功した腎臓移植に続いてさらに多くの研究が行われた。ヒトからの臓器提供の倫理的問題に直面した科学者たちは、ヒトの臓器の代替手段を探す努力を加速させた。
1963年、Tulane大学の医師たちは、瀕死の6人の患者に対してチンパンジーからヒトへの腎臓移植を試みた。これをはじめ、霊長類を臓器ドナーとして使用したいくつかの試みは失敗し、さらに死体から臓器を調達するプログラムが発達し、異種移植への関心はまた薄れていった。
1984年にヒヒの心臓を受けた異種移植の最初の幼児の受診者は、赤血球性左心筋症候群の「Baby Fae」と呼ばれるアメリカの幼児であった。手術は、カリフォルニア州のLoma Linda 大学の医療センターのLeonard L. Baileyによって行われた。 Faeは手術後21日後に亡くなった。主としてABO式血液型の不一致が原因と考えられる拒絶反応のためと考えられ、血液型がO型のヒヒは希少であり、やむを得ないと考えられた。この移植は適切なドナーがみつかるまでの一時的なものであることを意図していたが、時間内にドナーは見つけられなかった。
免疫不全マウスへのヒトの腫瘍細胞の移植も異種移植であり、腫瘍学研究でよく使用される研究手法である。これは、様々な癌治療に対する移植腫瘍の感受性を予測するために使用される。 Jackson Laboratory社 やAltogen Labs社などいくつかの企業がこのサービスを提供している。
ヒトの臓器は動物に移植され、ヒトの臓器についての研究に利用されてきた。この技術は、ヒトの患者への移植のためのヒト臓器の代替源としても提案されている。例えばGanogen研究所の研究者らは、人の胎児の腎臓をラットに移植し、機能が維持され成長することを示した。
潜在的な用途
医療での移植臓器が世界的に不足しているため、ドナーとなる臓器を待たなければならない患者の約20-35％が待機中に死亡する。早期の臨床試験で検討されているいくつかの手法は、癌、糖尿病、肝不全およびパーキンソン病などの生命を脅かす疾患を治療するために他の種の細胞または組織を使用することを目指している。
異種移植は、臓器提供を待つ何万人もの患者を救える可能性がある。ドナーはおそらくブタやヒヒが候補になるが、その動物からの臓器は、ヒトの免疫系を騙して患者自身の体に受け入れられるように、遺伝的に改変される。異種移植はヒト臓器の不足と拒絶反応を防ぐ技術進歩の中で再び注目を集めている。異種移植は将来的に臨床応用されうる。
異種移植はまた、発生生物学を研究するために研究室で使用されている貴重なツールである。たとえば誘導という現象は2種のイモリの胚の間での移植によって発見された。患者由来の腫瘍を動物に移植する異種移植は治験に利用されている。
臓器ドナーとなりうる動物
霊長類の中でもヒトに近縁な生物がヒトへの異種移植の臓器ドナーとして最初に考えられた。チンパンジーはもともと臓器のサイズがヒトと同じサイズであり、ヒトとの血液型適合性も良好で、異種移植の候補として最良と考えられていた。しかし、チンパンジーは絶滅の危機に瀕している種であり、他のドナーが求められた。ヒヒはより容易に入手できるが、ドナーとしては実用的ではない。身体のサイズが小さいこと、血液型O（普遍的なドナーとなりうる）の割合が低いこと、長い妊娠期間、出産数の少なさなどの問題がある。さらに霊長類からの移植に関する主な問題は、ヒトへの病気感染のリスクがあることである。
ブタは現在、臓器提供のための最良の候補であると考えられている。ヒトとの系統学的距離が遠いことから、異種間の疾病の伝播のリスクは減少する。またブタは容易に入手可能であり、その臓器は解剖学的にほぼヒトと同じサイズである。長い世代にわたって家畜としてブタはヒトと密接に接触しているため、未知の疾患がある可能性も低い。異種移植における現在の実験は、ドナーとしてブタを、ヒトモデルとしてヒヒを使用することが最も多い。
再生医療の分野では、胚盤胞補完法 (blastocyst complementation) とよばれる手法が検討されている。それは、膵臓形成不能のブタの胚、あるいは腎臓形成不能のブタの胚など、特定の臓器を形成できない胚を利用する。ほかの動物の幹細胞をその胚に入れることで、発生途中で、欠損する臓器をその動物の幹細胞が補完しようとする性質を使い、異種の多能性幹細胞から機能をもつ臓器を、インビボで、生成しようと試みられている。胚盤胞補完法の研究は、現在は基礎研究の段階である。近い将来、末期の臓器不全の人のQOLを向上させるために、畜産動物を使用し患者自身の細胞から移植可能なヒト臓器を生成することができるようになっているかもしれない。
超急性拒絶
この急速かつ激しいタイプの拒絶反応は、移植の後、数分から数時間以内に起こる。これは、XNA（xenoreactive natural antibodies、異種反応性天然抗体）のドナー臓器の内皮への結合によって媒介され、ヒト補体系の活性化を引き起こし、移植の内皮損傷、炎症、血栓症および壊死をもたらす。 XNAは、新生児の腸内に、細胞壁上にガラクトース部分を有する細菌がコロニーを形成後、新生児の血液中で最初に産生され、循環し始める。これらの抗体のほとんどはIgMクラスであるが、IgGとIgAも含まれる。
XNAsが標的とするエピトープは、酵素であるα-ガラクトシルトランスフェラーゼ（α-galactosyl transferase）によって産生されるα結合ガラクトース部分、Gal-α-1,3Gal（α-Galエピトープとも呼ばれる）である。霊長類以外のほとんどの動物はこの酵素をもつので、このエピトープは臓器上皮に存在する。霊長類は、ガラクトシルトランスフェラーゼ酵素をもっておらず、外来抗原としてこれを認識する。ブタから霊長類への異種移植では、XNAはインテグリンファミリーのブタ糖タンパク質を認識する。
XNAの結合は、古典経路を介した補体系の活性化を開始する。補体系の活性化は、内皮細胞の破壊、炎症、凝固、フィブリン凝固、および出血を引き起こす。最終的に、異種移植片は、血栓症となり壊死する。
急性血管拒絶
遅延型異種性拒絶反応（delayed xenoactive rejection）としても知られているが、超急性拒絶反応が回避されれば、2～3日以内にこのタイプの拒絶反応が異種移植片に対して生じる。このプロセスは超急性拒絶よりもはるかに複雑であり、現在完全には理解されていない。急性血管拒絶反応は、生体内でのタンパク質合成を必要とし、移植片内皮細胞と宿主抗体、マクロファージ、および血小板との間の相互作用によって引き起こされる。この応答は、マクロファージおよびナチュラルキラー細胞（少数のT細胞を有する）の炎症性浸潤、血管内血栓症（intravascular thrombosis）、血管壁のフィブリノイド壊死（fibrinoid necrosis of vessel walls）が、特徴である。
先に言及したXNAのドナー内皮への結合は、宿主マクロファージおよび内皮自体の活性化をもたらす。内皮活性化は、遺伝子誘導およびタンパク質合成を誘導する。XNAの結合は、最終的に、凝固促進状態、炎症性のサイトカインやケモカインの分泌をもたらす。また、E-セレクチン、細胞間接着分子-1（ICAM-1）および血管細胞への接着分子（VCAM-1）といった、白血球の接着分子の発現をもたらす。
免疫順応
超急性および急性の血管拒絶が回避されるならば、異種移植片の生存がある程度が可能になり、免疫順応となる。補体系の活性化が中断されたり、循環抗体が除去されたり、それらの機能が変化したり、移植片上の表面抗原が変化したりすると、体液性の拒絶反応から免疫順応となる。
細胞性拒絶の回避
細胞拒絶を回避するための戦略としては、造血系キメラリズムを用いてドナーへの非応答性を誘導することが挙げられる。ドナーの幹細胞が、レシピエントの骨髄に導入され、レシピエントの幹細胞と共存する。骨髄幹細胞は、造血過程を経て、すべての造血系統の細胞を生じる。リンパ系前駆細胞は、このプロセスによって生じた細胞の一部が胸腺に移動し、ここでネガティブ選択を行い、ドナー細胞に対して反応するT細胞を排除する。レシピエントの骨髄におけるドナー幹細胞の存在は、ドナー細胞に反応するT細胞を自己とみなしてアポトーシスを起こさせる。
慢性拒絶反応
慢性拒絶反応は遅く進行性であり、初期拒絶期に耐えられる移植片で起こる。慢性拒絶反応がどのように起こるか正確には不明である。異種移植片は最初の急性拒絶期を過ぎるまで生き延びることはめったにないため、この分野の研究は困難である。XNAおよび補体系は主に関与していないことが知られている。 線維症 は、移植免疫反応、サイトカイン（線維芽細胞を刺激する）、または急性拒絶反応における細胞壊死により、異種移植片が線維化する。また、移植片の血管壁の抗原によって活性化されたリンパ球がマクロファージを活性化し、血管の硬化、狭窄を引き起こす。慢性拒絶反応は臓器の病理学的変化を招き、何年か後に臓器を取り代えなければならない。
調節不全凝固
α1,3GTを含まないノックアウトマウスが作製された。そのマウスを用い異種移植を行ったところ、高い免疫原性をもつαGalエピトープが減少し、超急性拒絶の発生の減少したが、凝固異常としても知られる調節不全凝固（dysregulated coagulationあるいは、coagulopathyともいわれる）は、なくならなかった。
異種移植する臓器によって、凝固の反応は異なる。例えば、腎臓移植は心臓移植よりも高い凝固障害をもたらし、肝臓移植は重篤な血小板減少をもたらし、出血により数日以内にレシピエントの死を引き起こす。 また別の凝固障害である血栓症は、もとからある抗体によって起こり得る。移植されたブタの細胞には、ヒトに移植されたブタ臓器の周辺に、血小板および単球を凝集させ、重度の凝固を引き起こすものもあるようだ。移植される特定の臓器において、凝固活性の少ないトランスジェニックブタの開発が求められる。それは、臓器移植を必要とする年間7万人の患者が、異種移植をより容易に利用できる解決法になりえる。
ブタ内在性レトロウイルス
内在性レトロウイルス は、ほとんどの哺乳類のゲノムにあり、古代のウイルス感染の痕跡である。染色体DNAに組み込まれているため、親から子へと引き継がれる。 長い時間に蓄積する多くの欠失および突然変異があり、それらは通常、宿主種において感染性ではない。 ブタの内因性レトロウイルス（Porcine endogenous retroviruses、PERVS）は、もともと培養されたブタ腎臓細胞から放出されたレトロウイルスとして発見された。ほとんどの品種のブタでは、DNA中に約50のPERVゲノムが保存されている。これらのほとんどに欠陥があると思われるが、感染ウイルスを産生する可能性のあると考え、ゲノムの配列を決定して脅威となるウイルス感染の痕跡を特定する必要がある場合もある。さらに、相補性および遺伝子組換えを介して、2つの欠損したPERVゲノムが感染性ウイルスを生じる可能性もあるかもしれない。感染性PERV（PERV-A、PERV-B、およびPERV-C）の3つのサブグループがある。実験で、PERV-AおよびPERV-Bが培養中のヒト細胞に感染することが示されている。今日まで、実験的な異種移植では、PERVが感染することは実証されていない。 2015年にはCRISPR/Cas9を用いたゲノム編集技術を用いて、ブタのゲノム中の全62 PERVが、不活性化され、培養された細胞を用い、ブタ細胞からヒト細胞へのウイルスの感染がなくなったことが示された。
倫理
主要な宗教のどれも、救命救出のために遺伝的に改変されたブタの臓器を使用することには反対していない。ブタの摂取を禁止しているユダヤ教やイスラーム社会では問題となるかもしれない。一般にヒトへの、ブタやウシの組織の使用への抵抗はほとんどない。
患者のインフォームド・コンセント
異種移植の際にも、患者へのインフォームド・コンセントが重要である。異種移植を受ける患者はその手順を十分に理解していなければならず、心理的な圧力を受けずに移植を受ける受けないの選択をすべきである。患者は移植のリスクと利点を理解する必要がある。家族の同意や理解も必要かもしれない。移植から感染症になる可能性もあるので、定期的に健診を受けることが前提となる。