识病寻源｜器官移植：一场近百年的科学接力和背后的诺贝尔奖

【编者按】2023年12月14日，中国国务院总理李强签署国务院令，公布《人体器官捐献和移植条例》，自2024年5月1日起施行。这是继2007年颁布施行《人体器官移植条例》后的最新修订。新条例将加强器官移植技术应用管理，以保障医疗质量，比如：定期对医疗机构的器官移植技术临床应用能力进行评估，完善退出机制等。本篇就来说说关于器官移植相关技术的科学界接力，以此纪念、感谢这些了不起的医生和科学家们。

双胞胎

1941年，刚刚从威斯康星大学获得博士学位的美国年轻生物学家雷·欧文（Ray D. Owen）来到一家遗传学实验室工作。他的主要工作是为农场的奶牛进行亲子鉴定以保证血统。

一天，一位养牛农户找到了欧文，他农场里的两头不同品系的公牛和同一只母牛交配了，生下了一公一母的异卵双胞胎小牛。农户想知道小牛是哪只公牛的后代。欧文用牛的血样进行了蛋白质测试，他惊讶地发现，两只小牛都同时含有两头公牛的蛋白质。这与我们熟知的一个精子一个卵子的结合相悖。

在大量收集证据后，欧文观察到，所有的牛异卵双胞胎都共享两组红细胞，似乎一头牛的体内也有另一头牛的细胞谱系。1945年，二战刚刚结束，他将这一观察结果发表在《科学》期刊上。

在解剖学上，人们早已发现，牛的生殖过程较为特殊，其双胞胎在出生前共享胎盘。欧文认为，正是这个原因导致胎儿期两个双胞胎相互输血，从而使两只小牛都能够耐受对方的细胞【1】。年轻的欧文尚不知道，他在农场中的发现正是器官移植理论的序曲，一个崭新的时代即将到来。

雷·欧文（1915-2014），威斯康星州奶农的儿子，美国遗传学家和免疫学家。图片来源：wikipedia.org

二战期间，一位巴西裔英国医生投身行伍，在格拉斯哥皇家医院烧伤科开展研究，希望能够拯救全身烧伤的英国军人。这位二十多岁、刚从牛津大学毕业的研究生发现，如果从病人自身取下完好的皮肤移植到伤口上，皮肤组织可愈合生长。但从其他人身上移植皮肤，组织很快就会坏死。免疫系统似乎可以很好地识别“自己”和“他人”。这位医生推测，如果这个理论是正确的，那么同卵双胞胎具有相同的基因，应该能接受彼此的组织移植。而异卵双胞胎具有不同的基因，应该排斥彼此的组织。

二战结束后，这位医生继续开展皮肤移植的研究。他用牛作为研究模型，发现同卵双胞胎确实接受彼此的皮肤移植。但奇怪的是，不同基因的异卵双胞胎，也可接受彼此的移植。他无比困惑，但当看到欧文的研究论文时，他得到了启示：胎儿期的小牛通过共享胎盘交换血液，而发育中的免疫系统同时接受了来自两个个体的血细胞，所以成年后，其免疫系统不会排斥来自另一只双胞胎小牛的皮肤组织。

他的发现揭示：在胎儿期，免疫系统接受的抗原刺激可以令其接受该抗原。这解释了为什么免疫系统不会对自身组织做出反应，更进一步，这激发了免疫系统抑制与重建可能影响器官移植的理念。1953年，他将论文发表在《自然》期刊上，提出了组织移植的免疫学基础【2】。

1960年，由于提出后天免疫耐受理论，他荣获诺贝尔生理学或医学奖。他就是器官移植领域的理论先驱，“移植之父”彼得·梅达沃（Peter Medawar）。

彼得·梅达沃（1915-1987），爵士，巴西裔英国免疫学家。图片来源：royalsociety.org

绣花针

虽然器官移植的理论基石在二战后才被铺设，但其实践却要早得多。大量的神话、宗教典籍、历史文献都提示我们，人类早在几千年前就开始组织移植的尝试。公元前3000-公元前2500年的古印度文献详细描述了用患者自己的皮肤组织重建鼻子，从而帮助受劓刑的犯人。中国古籍中有扁鹊换心的描述。牙齿移植则在欧洲各国都多有记录。

这些实践说明，器官移植是人类社会从古至今的重大需求，也体现了古代医学的不懈探索。但旧日世界还没有发展出器官移植的技术框架，这一框架的建立首先来自19世纪末外科医生们的卓越贡献。

1873年，阿历克西斯·卡雷尔（Alexis Carrel）出生在法国里昂附近的一个小村庄。4岁时他的父亲死于肺炎，母亲只得通过做蕾丝刺绣手工来维持生计。卡雷尔在刺绣师的帮助下早早地学会了做这些精细的针线活。1890年他进入里昂医学院学习，在医院实习期间，法国发生了一件刺杀案。法国总统在访问里昂时被一名意大利无政府主义者刺伤，总统的门静脉被划破，而外科医生无法缝合血管，最终导致总统死亡。在那个时代，直接缝合血管易导致吻合口崩裂而大出血，压迫止血又常造成组织缺血坏死。外科医生面对这种情况束手无策。卡雷尔目击这一事件，大受震撼，并萌生了要发展血管吻合术的愿望。

1900年，获得博士学位的卡雷尔进入里昂大学解剖研究所工作，他利用人类尸体和狗反复练习，探索出一套进行血管吻合的方法，包括：严格的无菌措施减少感染风险；使用黑色织物、穿黑大褂从而便于看到极细的白线；使用光滑的圆头血管钳避免血管内皮损伤；用长而直的针取代常用的弯针以方便血管缝合；用润滑油处理极细的丝质缝线从而减少线与血管壁的摩擦；使用缓冲液保证手术区湿润；使用三针定点牵拉形成三角形；将内皮外翻依次将三条边缝合。这一技术被称为“三线法”，可有效闭合血管，止血的同时避免了血栓形成和血管缩窄。卡雷尔双手极为灵活，技巧高超，可在两分半时间内完成颈动脉吻合术，在中型犬身上可在六分钟内完成主动脉吻合术。

1902年，年仅29岁的卡雷尔在《里昂医学》期刊上发表了创造性的血管吻合技术【3】。由于移植器官植入后需要立刻接通血管，因此他的发现为器官移植的技术手法打下了坚实的基础。十年后，卡雷尔荣获1912年诺贝尔生理学或医学奖，是迄今为止最为年轻的诺奖获得者。一百多年后的今天，卡雷尔的方法仍应用在世界各地每一台器官移植手术中。

阿历克西斯·卡雷尔（1873-1944），“移植手术之父”。图片来源：Mary Evans Picture Library

许多外科医生前仆后继地开拓着临床器官移植的技术道路，卡雷尔只是其中一位杰出代表。他们意识到，即使手术成功，在异种移植时仍会发生生理紊乱，说明被移植的器官会受到宿主的生物学因素影响，这是器官移植早期探索时期的巨大障碍。

外科精英们在这条道路上不断尝试，初期主要集中于肾移植研究。1936年，俄罗斯外科医生Voronoy为尿毒症患者开展了一次肾移植手术，患者仅存活2天，肾脏没有产生任何尿液。1952年法国的Kuss和Dubost医生从被处决的罪犯体内摘取肾脏用于移植手术。手术取得了技术成功，但随后发生了免疫排斥，患者死亡。同年，戴维·休姆（David Hume）和同事在马萨诸塞州波士顿Peter Bent Brigham医院开展了9例肾移植手术，均发生了免疫排斥现象，但他们从中汲取了大量宝贵经验。

1954年，休姆的同事约瑟夫·默里（Joseph Murray）对两名同卵双胞胎兄弟开展了肾脏移植术。这次手术取得了前所未有的成功，手术顺利完成，移植的肾脏功能完好，没有发生排斥反应【4】。这是人类历史上首例成功的肾移植手术，它清晰地告诉我们，如果没有免疫排斥，器官移植术可以取得多么宏大的成就。这台载入史册的手术也令默里医生获得1990年诺贝尔生理学或医学奖。

约瑟夫·默里（1919-2012，图片正中）在1954年进行人类首例成功的肾移植手术。图片来源：nytimes.com

在成功开展肾脏移植后，各类器官移植百花齐放。1963年科罗拉多大学的托马斯·斯塔兹尔（Thomas Starzl）完成了第一例肝脏移植【5】。同年，James Hardy在密西西比大学进行了第一例肺移植。明尼苏达大学的William Kelly和Richard Lillehei于1966年开展了第一例胰腺移植。1967年Christiaan Barnard在南非进行了第一例心脏移植【6】。斯塔兹尔在1987年又开展了第一例肠道移植。

在一代代医生精湛的医术护持下，他们建立了一个全新的临床学科。器官移植从一种实验性手术逐步发展为一种临床服务，为各类患者带来了曙光。

鸡尾酒

受临床实践的鼓舞和梅达沃免疫耐受理论的指导，器官移植开始走进一个新的时代：打破免疫屏障。当时科学界已经知道免疫细胞来自骨髓，于是科学家们尝试用抑制骨髓的方法抑制排斥反应。

他们首先尝试了辐射。在20世纪50年代末，波士顿开展了一系列肾移植项目，受试者接受亚致死量的全身辐照。这项临床试验的结果并不好，10例患者中9例在一个月内去世。死亡原因并非移植失败，而是辐射导致的严重副作用。然而，有一例受试者挺了过来，存活了20年，期间肾功能完好。

使用辐射抑制免疫显然对受试者伤害巨大，但这项临床试验验证了梅达沃免疫耐受的理论。因此，进一步寻找更为精细、安全的方法抑制免疫细胞功能成为领域内的重中之重。

这次，两位化学家出手了。乔治·希金斯（George Hitchings）1933年在哈佛大学获得生物化学博士学位，1942年加入了英国制药公司威康（Wellcome）的研发实验室，他招聘了具有化学硕士学位的青年女科学家格特鲁德·埃利昂（Gertrude Elion）担任实验室助理。值得一提的是，二战时，化学领域的许多工作开始向女性开放，她们为科学界带来了许多的重大发现。

当时，化学药物的研发还处在反复试错、凭借运气的阶段。然而希金斯和埃利昂认为，应该针对特定目标，有目的、有计划地设计具有特定结构的新分子，从而进行阻断。这种理性的药物设计思路为药学带来了深刻的变化。

在肿瘤研究领域，他们认为肿瘤等快速增殖的细胞需要大量的DNA和RNA合成。如果能找到一种结构与之相似，但又不完全一致的分子，就可能干扰这一合成过程，从而治疗这种疾病。他们将目光锁定在核酸的基本结构嘌呤上。埃利昂在环状的嘌呤分子的六个碳原子上加上不同的化学侧链，产生几十种嘌呤的类似物。在1951年， 33岁的埃利昂成功找到一个变体6-巯基嘌呤，它的结构类似于体内的嘌呤，可竞争性地干扰DNA合成。

这个创新药物在纪念斯隆凯特林癌症研究所开展了人体实验。结果喜忧参半，患有急性淋巴细胞白血病的患儿几天后就好转了，但肿瘤非常容易复发。埃利昂没有放弃，她发现用6-巯基嘌呤和其他药物组合起来，比单独使用它更有效。

之后的多年间，在这类“鸡尾酒”疗法的帮助下，许多白血病患者显著延长了生存期。有趣的是，这种原本设计用于对抗白血病的药物竟也具有非常好的免疫抑制效果，并且其抑制方式也非常类似。因此这一类药物逐步开始应用于器官移植。

在60年代早期，十名接受肾移植的患者使用6-巯基嘌呤单药抑制免疫，只有一位存活了6个月。随后，斯塔兹尔利用6-巯基嘌呤配合高剂量的泼尼松，开启了免疫抑制药物的“鸡尾酒”疗法时代【7】。

1966年，科学家用人的白细胞给马接种，从马血清中获得了多克隆抗淋巴细胞球蛋白。这是一种可用于免疫抑制的生物学制剂。随后，免疫抑制药物不断更新换代，其中最为重要的是瑞士山德士制药公司从挪威土壤样本中找到的一种真菌的代谢物：环孢菌素。

1977年由瑞士医生Jean Borel“以身试药”首次发现其具有强烈的免疫抑制效果。环孢菌素作用于辅助性T淋巴细胞，并抑制淋巴细胞的抗体合成，但没有6-巯基嘌呤的骨髓抑制副作用，是第一个选择性免疫抑制剂。斯塔兹尔等科学家对此开展了大量的临床试验，发现当环孢菌素和其他药物联合，可以增加所有类型器官移植的存活率。

20世纪90年代初，他克莫司作为新型免疫抑制剂也登场了。如今，各类免疫抑制的鸡尾酒药物已成为器官移植医生的得力工具，mTOR抑制剂、针对新免疫靶点的抗体、共刺激阻断剂贝拉西普（belatecept）等药物也在不断探索中。

由于在肝移植方面的成就，斯塔兹尔等移植先驱获得2012年拉斯克奖，以及国际器官移植协会的最高荣誉——梅达沃奖。而最早为器官移植患者打破免疫屏障提供“弹药”的希金斯和埃利昂，因发现药物治疗的重要原理共同获得1988年诺贝尔生理学或医学奖。

格特鲁德·埃利昂（1873-1944），美国生化学家、药理学家，开发了早期免疫抑制剂。图片来源：nobelprize.org

身份证

1945年，美国杰克逊实验室的乔治·斯内尔（George D. Snell）开始寻找导致小鼠肿瘤移植排斥的原因。他们构建了27个小鼠的品系，这些小鼠的肿瘤互相之间不能兼容。他惊讶地发现，其中22个小鼠品系的基因区段H-2具有独特性。

为了进一步研究，他和同事们构建了两百余种小鼠品系。这是一场规模十分宏大的实验，其中许多品系成为了现今实验室研究的范例品系，如C57BL/6J，BALB/c，129等。从这里开始，斯内尔发现了主要组织相容性复合体（MHC），机体正是依赖于这些MHC发生移植排斥反应【8】。在人体，是否也通过类似的机制导致移植排斥呢？

1949年，33岁的让·道塞特（Jean Dausset）在巴黎输血中心研究白细胞减少症。他在这些患者的血清中发现了一些抗体，能够结合其他人的白细胞。他发现，这些抗体是由于患者接受多次输血导致的。就像红细胞拥有ABO不同类型一样，白细胞也有不同的类群。道塞特发现了至少8组不同的白细胞类群【9】。他敏锐地意识到，这个白细胞系统似乎与小鼠的H-2系统类似，他将其命名为Hu-1系统。

1964年，利用皮肤移植方法，道塞特发现Hu-1系统可以决定宿主是否排斥移植物。这说明这些白细胞组实际上是组织组，是一个相互关联的系统，他将其称为人类白细胞抗原HLA。

如今我们知道，HLA是在6号染色体上的一类基因，有多个不同的基因座。HLA -I型（HLA-A, HLA-B, HLA-C）编码第一型MHC，用于抗原递呈并诱导杀伤性T细胞识别并消灭外来细胞。这类HLA基因主要与排异反应相关。HLA -II型（HLA-DP, HLA-DM, HLA-DO, HLA-DQ, HLA-DR）编码第二型MHC，用于抗原递呈并诱导辅助性T细胞，进而刺激B细胞产生抗体。HLA-III型与补体和细胞因子相关。HLA的等位基因非常多，经过长期与病原体共同进化，人类具有极大多态性的HLA系统，这相当于每个人的免疫身份证。也正是由HLA分子递呈的外来抗原，导致了免疫系统识别我与非我。

斯内尔与道塞特的发现揭示了梅达沃后天免疫耐受理论的分子基础。器官捐献者和接收者的HLA分子差异越大，免疫排斥反应就越严重。这一重要的遗传学发现立刻应用于器官移植，在70年代投入临床，即“HLA-交叉配型”。如同输血需要ABO血型相符一样，为患者寻找合适的供体也需要HLA配型类似。

有意思的是，不同的器官对配型的要求是不同的。肝脏具有独特的免疫耐受性，对配型要求很低。肾脏移植需要中等程度的匹配，而骨髓移植需要完全匹配。深入了解移植排斥的分子机理显著促进了器官移植的发展，提高了移植手术成功率，还进一步提供了可能的干预措施。

由于揭示了细胞表面调节免疫反应的遗传决定结构，斯内尔与道塞特共同获得1980年诺贝尔生理学或医学奖。

乔治·斯内尔（1903-1996），美国遗传学家、免疫遗传学奠基人。图片来源：The John Simon Guggenheim Memorial Foundation

近百年来，器官移植经历了波澜壮阔的发展，融合了免疫学、外科学、药学、遗传学、工程学等领域，其中每一步都需要开拓创新的勇气和打破常规的思考。回溯源头，可以看到器官移植的理论、技术、药物、机理的各项进步背后都有一群充满激情的青年医生、科学家的身影。由于他们的工作，器官移植从一种实验性手术逐步发展为当今临床治疗中不可或缺的一环，拯救了无数患者。

当代的器官移植仍不断产生新的突破，例如通过离体维持系统延长器官保存时间、通过对动物的基因编辑提供异种移植的器官供体、通过生物工程技术制造器官等等。医师和科学家们继承着百年前先驱们拯救生命的信念和对科学探索的激情，为全人类带来了希望。

（作者杨云龙，系复旦大学基础医学院细胞与遗传医学系教授、副主任，在中国细胞生物学会医学细胞生物学分会、中国优生科学协会基因诊断与精准医学分会兼职。作者陈楷文，系复旦大学临床八年制本科生。疾病不断地改变着每个人的人生轨迹。但除了医生与医学研究者，人们很少有机会了解各式各样的疾病。“识病寻源”专栏将以一文一病的形式，介绍对疾病的认识进程，疾病的病因及其治疗。跟随医学科学的进步，理解现代医学。）

参考文献：

1. Owen, R. D. Immunogenetic Consequences of Vascular Anastomoses between Bovine Twins. Science 102, 400-401, doi:10.1126/science.102.2651.400 (1945).

2. Billingham, R. E., Brent, L. & Medawar, P. B. Actively acquired tolerance of foreign cells. Nature 172, 603-606, doi:10.1038/172603a0 (1953).

3. Carrel, A. Lyon Med, 859 (1902).

4. Merrill, J. P., Murray, J. E., Harrison, J. H. & Guild, W. R. Successful homotransplantation of the human kidney between identical twins. J Am Med Assoc 160, 277-282, doi:10.1001/jama.1956.02960390027008 (1956).

5. Starzl, T. E. The puzzle people : memoirs of a transplant surgeon.  (University of Pittsburgh Press, 1992).

6. 李, 清. 心外传奇.  (清华大学出版社, 2012).

7. Starzl, T. E., Marchioro, T. L. & Waddell, W. R. The Reversal of Rejection in Human Renal Homografts with Subsequent Development of Homograft Tolerance. Surg Gynecol Obstet 117, 385-395 (1963).

8. Snell, G. D. Methods for the study of histocompatibility genes. J Genet 49, 87-108, doi:10.1007/BF02986826 (1948).

9. Dausset, J. [Demonstration of the Rh (D) antigen on leukocytes and platelets from humans]. C R Hebd Seances Acad Sci 246, 2171-2173 (1958).