张  明 综述   齐  隽 审校 
（第二军医大学附属长征医院泌尿外科，上海 200003） 

    摘  要   基因转移技术在器官移植中的应用仍处于发展的早期阶段。基因治
疗是有潜力解决移植排斥问题的主要方法之一，本文就基因治疗在器官移植领域的
应用现状进行综述。

   近20-30年来器官移植取得了巨大进步，目前90％以上的移植肾存活时间在一年
以上，这一成绩的取得在很大程度上是来自于免疫抑制剂的进步。但是目前器官移
植医学也存在着不容忽视的问题，概括为以下几点：⑴终身免疫抑制带来了巨大的
毒副作用，移植受者中存在着很高的机会性感染和肿瘤发病率，肾移植10年后肿瘤
发病率是正常人的7倍，并且随着时间延长进一步升高。⑵尽管已经使用免疫抑制
剂，慢性排斥仍然很常见，手术10年后，50％的移植肾都会被排斥。⑶非免疫原因
引起的早期移植物失功也不少见。⑷供器官短缺的问题也在限制移植医学的发展。

    新的免疫介入策略可能会解决这些问题。这些介入措施的目标应当是诱导移植
物耐受（指在不使用免疫抑制剂的条件下，宿主维持着对供者抗原的无反应性，并
且不出现慢性排斥、肿瘤或者机会性感染），至少也应当减少系统性免疫抑制剂的
药量。这些方案利用天然的来自免疫系统自身的免疫抑制分子来控制免疫反应。利
用基因治疗方法导入这些分子有其独特的优势。基因转入后移植物内产生的游离目
标蛋白能够产生局部免疫抑制效应，从而避免了系统免疫抑制；也可以通过静脉直
接注射这些目标蛋白的方式来达到同样的效果。但大量表达的膜表面分子（如Fas
L），细胞内蛋白（如抗凋亡分子），半衰期特别短的分子（例如一氧化氮）则只
能通过对供器官进行基因修饰的方式来达到。器官移植本身提供了极好的在体外转
基因的机会，因此能够避免体内转基因所带来的很多问题，这在其他临床基因治疗
课题中是常见而且十分棘手的。器官短缺有可能通过异种移植来解决，利用转基因
猪作为供者是异种移植的主要策略之一；其他种类的转基因动物对于器官移植的实
验研究也是非常有益的（例如转基因小鼠）。 

1.移植中的基因治疗策略 

    决定采用何种基因转入方法的两个主要因素是：一、基因表达分子的作用部位
，细胞内或者膜表面分子相对于游离蛋白分子需要更有效的基因转移手段；二、靶
细胞特点，处于静止状态的细胞、分裂增殖中的细胞以及表面表达病毒受体的细胞
各有其适宜的基因转移方法。在刚刚过去的一两年中几乎所有能够被进行移植的器
官或者组织都被证实可以通过现有的一种或多种基因转移载体转入目标基因。这些
资料还证实很多基因都能够延长移植物的存活。基因治疗提高移植物存活的两条主
要途径是：一、抑制抗移植物免疫反应。二、促进移植物保护机制。 

1.1 抑制抗移植物的免疫反应 

    这一策略的目标是抑制抗移植物免疫反应的启动、增殖或者效应阶段。移植物
排斥的主要特征是：T细胞尤其是CD4+T细胞是移植排斥中的主要细胞类型，它通过
多种增生和效应机制主导排斥反应[1]。T细胞完全活化和增生有赖于其与抗原提呈
细胞相互接触中所获得的信号。抗原递呈细胞上表达的同种MHC分子能够被相应的
T细胞克隆膜表面的受体识别，这一过程会导致产生T细胞活化所必需的一些细胞内
信号。但仅有这些信号还不足以引起T细胞完全活化，在缺乏共刺激信号的条件下
会产生T细胞无反应。主要的共刺激信号来自于T细胞表面的CD28分子和抗原提呈细
胞表面的B7分子之间相互作用。抗原提呈细胞（APC）上B7的大量表达则依靠APC表
面的CD40分子和T细胞上的CD40L相互作用后产生的放大信号。 CD28-B7和CD40-CD
40L共刺激分子系统是T细胞依赖的免疫反应启动和维持所必不可少的基本信号系统
。T细胞反应和效应机制的扩大（例如细胞毒作用，同种抗体的产生，巨噬细胞激
活和产生炎性介质）需要细胞因子的产生及细胞因子与其受体的相互作用。移植排
斥常常被发现和Th1细胞因子（如IL-2,IFN-γ）表达升高有关，这些细胞因子会刺
激抗原提呈和效应机制。诱导移植耐受的免疫介入措施通常要么是抑制Th1细胞因
子产生，要么使Th2细胞因子（IL-4,IL-10,IL-13）或TGF-β的产生增加。 活化的
免疫细胞向移植物内浸润需要血管内皮细胞和白细胞上的粘附分子之间的相互作用
。最后，免疫反应需要被终止，这需要一些能够抑制T细胞并作用于免疫反应终末
阶段的机制，例如，活化的T细胞上表达的CTLA4分子与B7相互作用能够对T细胞产
生抑制信号。活化的T细胞的凋亡（Fas-FasL的相互作用在其中扮演重要角色）也
能够使免疫反应被终止。控制T细胞活化及死亡的每一个步骤都是基因治疗的免疫
抑制策略的潜在目标。 

    可以通过向⑴移植物、⑵免疫系统的相关细胞转入基因来抑制抗移植物免疫反
应。直接向移植物转入基因能够在局部产生免疫调节分子以营造免疫抑制微环境，
影响和调控参与移植物识别和破坏的细胞和分子。因此能够避免系统性免疫抑制剂
对其他细胞的副作用。与直接给予半衰期很短的可溶性蛋白药物（例如细胞因子或
者可溶性受体）相比，基因转入导致局部持续产生免疫调节分子，提高这些分子的
生物利用度，从而提高治疗效果，降低治疗费用[2]。转基因的细胞与胰岛一起移
植可以在局部产生免疫抑制分子从而延长移植物的存活。对骨髓细胞或者胸腺进行
基因转入处理能够控制B细胞或者T细胞选择，向二级淋巴器官转入基因修饰后的树
突状细胞能够阻止抗原提呈，目前这方面已经有成功的报导[3-7]。 

1.2 阻断共刺激信号 

    用CTLA4的细胞外部分和IgG的Fc片段结合而成的CTLA4Ig阻断B7/CD28分子之间
的相互作用通常会导致血管化的同种移植物以及胰岛存活期延长，但是并不能导致
移植物长期耐受。用抗CD40配体的单抗阻断CD40/CD40L相互作用也能够提高啮齿类
和灵长类动物移植物的存活期。目前CTLA4Ig基因已经用来进行实验研究并取得良
好的效果，CD40Ig基因的研究尚未见报导，但是应当会对防止排斥有良好的效果。
 

    基因转入途径对CTLA4Ig的治疗效果有影响，在大鼠心脏移植模型中，向心肌
转入腺病毒编码的CTLA4Ig基因能使所有的移植心脏无限期存活，但是对受鼠静脉
给予CTLA4Ig基因只能把移植物存活延长至22天[8]。但是这种转基因方法能够导致
受鼠术后血清中维持高滴度的CTLA4Ig达数月之久，并且能抑制抗原特异性的体液
免疫反应。移植物长期存活的受鼠能够排斥第三者的皮肤或者心脏移植物，但对相
同来源的二次移植却表现出耐受。这些受鼠的脾脏和移植物浸润淋巴细胞的同种增
殖反应受到抑制，但是淋巴结细胞的增生反应却是正常的。这些结果说明并非所有
的免疫反应或者淋巴细胞亚群都被CTLA4Ig抑制。 

    与血管化的器官移植不同，在基因表达CTLA4Ig的胰岛细胞存活时间仅仅从9.
9天延长到21天。而且，转基因表达CTLA4Ig的胰岛细胞移植后受鼠血清中CTLA4Ig
水平很低，并未改变受鼠抗原特异性的体液免疫反应，受鼠的存活与直接静脉给予
重组CTLA4Ig蛋白的受鼠相当。虽然通过腺病毒向胰岛细胞转入基因并不影响胰岛
功能，也不加速移植物排斥，但是受鼠会产生针对腺病毒的免疫反应[9]。通过微
囊包被的方法向胰岛转入CTLA4Ig基因，虽然基因转移效率下降了，但由于这种方
法消除了腺病毒的免疫原性，因此仍在大约50％的实验动物取得了比腺病毒转基因
更好的效果。这些实验结果显示通过转基因的方法阻断共刺激信号能够获得较之直
接注射蛋白药物相当或更好的效果，这可能是由于基因表达产物的持续时间更长而
且生物利用度更高[10]。

    通过腺病毒转染表达CTLA4Ig的供者树突状细胞显示出很低的免疫原性和较强
的耐受原性，向受者静脉注射这种细胞能够延长移植物的存活[7]。 

1.3 免疫偏移和抗炎症细胞因子 

    Th2型细胞因子或TGF-β能够通过抑制Th1型细胞因子的产生和阻断抗原提呈细
胞的功能来促进移植物存活。直接向非血管化的小鼠心脏移植物内注射含有TGFβ
1基因的质粒能够使移植物的存活时间延长一倍，但是在远隔部位注射这种质粒则
不能延长移植物的存活，因此这种方法所导致的免疫抑制是局灶性的。而且，移植
物浸润细胞的供者特异性细胞毒性T细胞反应和IL-2产量均明显降低，但受者脾细
胞这两项指标均正常。

    在一个大鼠血管化的心脏移植模型中，通过重组腺病毒载体向心肌转入TGFβ
1显著延长了移植物的存活，并且有相当大比例的移植物在无免疫抑制条件下长期
存活[11]。在这个模型中，移植物局部IFNγ，TNFα和可诱导的一氧化氮合成酶的
产生均受到了抑制。在移植物远隔部位转入TGFβ1不能延长移植物的存活[12,13]
。

    病毒白介素10（vIL-10）基因同样能延长同种移植物的存活。vIL-10是一种来
自EB病毒基因组的细胞因子，结构上与细胞白介素10（cIL-10）有很高的同源性，
但是vIL-10却没有cIL-10的一些T细胞刺激活性。逆转录病毒、腺病毒甚至脂质体
介导的的vIL-10基因转染能够延长血管化或非血管化的心脏移植物的存活期[14-1
6]，并且移植物浸润细胞和受者脾细胞的同种抗原特异性的细胞毒性T细胞反应均
受到抑制，说明vIL-10基因转染导致了一种更为泛化和深刻的免疫抑制。有报道细
胞IL-10在大鼠肝脏和心脏移植模型中也能延长移植物存活[17]。在这些模型中，
移植物局部浸润细胞受到抑制，但受者脾细胞针对供者的免疫反应并未受到抑制或
消除。 

1.4 MHC抗原  

    虽然MHC分子是同种移植排斥最主要的靶分子，但是在缺乏共刺激信号的条件
下受者接受供者MHC抗原（例如供者的骨髓，血液）却能够促进移植物的存活。骨
髓移植能够提高二次实体器官移植的存活率，但是有可能会出现移植物抗宿主病，
通过转基因方法向受者骨髓细胞转入供者MHC基因则能够避免这种可怕的并发症。
诚然，MHC具有高度多形性，但这应当不会构成这种方法的重大障碍，因为有证据
表明向受者免疫系统提呈单个等位基因产物就足以使受者产生针对整个供者MHC的
耐受。在活体器官移植，人们完全有机会在移植术前通过转基因方法构建表达供者
MHC分子的受者骨髓细胞然后回输给受者。

    通过逆转录病毒载体使受者骨髓细胞表达供者MHCⅠ类或Ⅱ类抗原已经证明能
够导致供者特异性的器官存活延长。体外转基因使受者纤维母细胞表达供者MHCⅠ
类分子基因，然后回输受者也能延长移植物的存活。通过质粒载体向受者胸腺转入
供者MHCⅠ类分子基因，同时应用抗淋巴细胞球蛋白使大部分受试大鼠肝移植物获
得长期存活。

    表达供者分子的受者骨髓移植还被应用于异种移植以诱导受者对α半乳糖的耐
受。α半乳糖大量表达于猪的血管内皮，而所有灵长类动物的血清中都预存α半乳
糖抗体，从而导致超急性排斥的发生。α1,3半乳糖半乳糖苷转移酶是α半乳糖合
成的关键酶，利用逆转录病毒使受者骨髓细胞表达这种酶已经被证实能够抑制抗α
半乳糖抗体的产生[18]。 

1.5 引起免疫细胞凋亡的分子 

    免疫特惠部位例如眼或睾丸高表达的FasL在抗排斥和抗炎中发挥了重要的作用
。由于激活的T细胞上表达Fas，通过转基因使移植器官高表达FasL可能会促使移植
物浸润的T细胞发生凋亡而促进移植物耐受。然而在不同的动物实验中表达FasL的
器官移植后有着矛盾的实验结果。表达FasL的成肌细胞与同基因胰岛细胞一同移植
，会使胰岛移植物的存活期延长。但是通过腺病毒介导或转基因小鼠使胰岛细胞表
达FasL，这种胰岛细胞则会由于粒细胞浸润而被加速排斥[19]。在另一个转基因表
达FasL的心脏移植模型中，无论受者是同基因还是同种鼠株，移植心脏都会因大量
粒细胞浸润而被加速排斥[20]。但是另外的研究显示通过腺病毒载体转染表达Fas
L能够使移植肾脏存活期中度延长，并且没有出现粒细胞浸润[21]。 

    总之，这些结果显示Fas和FasL对炎症和免疫反应的调节是复杂的，它们在耐
受诱导中的作用及机制需要进一步阐明。由于免疫特惠部位在表达FasL的同时，通
常还会表达其它免疫抑制分子（例如TGF-β），因此FasL与这类分子的协同作用对
于阻止粒细胞浸润和发挥免疫抑制作用可能是十分重要的。  

1.6 抗氧化应激的基因治疗策略  

    细胞移植和血管化的器官移植后早期非免疫损伤最主要的原因是缺氧和缺血再
灌注损伤所触发的活化氧自由基的生成。这些氧自由基引起移植物内的细胞死亡，
促使细胞因子产生和白细胞聚集。氧自由基还增加了急性或慢性排斥出现的几率。
 

    纹状体内移植胚胎多巴胺神经元细胞是治疗帕金森氏病的外科疗法之一，但是
植入的同基因细胞80-95％在术后早期即被破坏。利用腺病毒载体使神经元细胞表
达铜-锌超氧化物歧化酶基因大大改善了移植效果，这说明氧化应激在移植细胞破
坏中发挥了主要的作用，同时也说明基因转移有可能抑制氧化应激[22]。 

    氧化应激在实体器官缺血再灌注损伤中的作用也得到了证实。通过腺病毒载体
转染表达线粒体超氧化物歧化酶能够降低缺血再灌注所导致的肝细胞损伤。这一保
护作用与氧化还原作用介导的NF-kB和AP1转录激活因子的活化受到抑制有关[23]。
 

1.7 抗凋亡和抗增生基因  

    使移植细胞表达抗凋亡基因是移植医学中基因治疗研究的主要方向之一。这种
方法不仅有助于防止缺血再灌注损伤所导致的细胞凋亡，还有助于器官实质细胞抵
御原发病和移植排斥中的致凋亡机制。这种抗凋亡策略已经被应用于抗fas抗体诱
导的亚急性肝衰模型中。在这个肝衰模型中，实验者从Bcl-2转基因小鼠取得肝细
胞，把这种表达抗凋亡基因Bcl-2的肝细胞植入肝衰小鼠的肝脏中能够避免实验鼠
的死亡[24]。另外，在肝脏缺血再灌注损伤模型中，腺病毒介导的Bcl-2转基因能
够防止肝细胞损伤和凋亡[25]。体外实验证实通过转基因使内皮细胞表达抗凋亡基
因（Bcl-2、Bcl-xL或A20）不仅能够避免内皮细胞凋亡，而且能够抑制NF-kB介导
的内皮细胞活化[26]。细胞因子或氧自由基诱导的内皮细胞活化由NF-kB介导，NF
-kB能够诱生大量前炎症细胞因子，这些细胞因子对异种移植排斥的发生起着推动
作用。这些实验结果对同种或异种移植具有潜在的应用价值，但是遗憾的是目前的
技术条件下对血管内皮的转基因效率还十分差强人意。 

    实体器官移植后很大一部分因慢性排斥而失功。心脏移植物慢性排斥的主要病
理特征之一是以动脉平滑肌细胞增生引起弥漫性内膜增厚为特征的动脉硬化。在一
个心脏移植物慢性排斥的啮齿类动物模型中，通过向冠状动脉转入脂质体或病毒介
导的反义核苷酸基因片段能够抑制细胞周期蛋白依赖性激酶2的表达，从而阻止平
滑肌细胞的增生和动脉内膜增厚，并且能够抑制内皮细胞表达细胞粘附分子[27]。
腺病毒介导的iNOS表达也能阻止动脉内膜增厚[28]。 

2. 结论与展望  

    基因转移技术在器官移植中的应用仍处于发展的早期阶段。基因治疗是有潜力
解决移植排斥问题的主要方法之一，当然，它还必须借助其它的免疫抑制措施。基
因治疗是否能够成功地应用于移植临床还有赖于以下进展：⑴基因载体的改进，使
得在毒副作用降到极低的同时大大提高转染效率，并且能够控制转入基因表达的部
位和时间；⑵找到合适的基因目标，以帮助降低移植后的器官损伤和快速细胞死亡
，诱导耐受状态并减少慢性排斥反应。 

    其它临床疾病的基因治疗所遇到的一些主要障碍在移植临床的应用中可能不会
那么突出，例如机体对基因载体的免疫反应以及目的基因的表达时间过于短暂等。
对载体的免疫反应可能会因目标基因的表达而得到减轻。即使基因治疗成功地应用
于移植临床，为了控制针对载体的免疫反应，免疫抑制治疗可能仍然是必不可少的
。目的基因的短暂表达甚至是器官移植所需要的，因为在短时间的治疗性免疫介入
后就已经能够建立移植物的耐受机制了。

    转基因介导免疫调节蛋白的局部表达已被证明能够在实验性器官移植中控制免
疫排斥反应并延长移植物的存活。虽然很多实验还处于早期阶段，还远未达到能够
应用于临床的地步，但是已经有利用自杀基因来控制GVHD的临床试验给出了令人鼓
舞的结果[29]。在这个试验中，供者T细胞在体外转染自杀性的I型单纯疱疹病毒胸
苷激酶（tk）基因，然后与去除了T细胞的骨髓一道输注给受者。在发生GVHD的患
者，立即给予核苷类似物丙氧鸟苷（gancyclovir）就能选择性地杀死增殖中的TK
＋同种反应性T细胞，从而遏制GVHD。尽管目前的基因治疗手段还远远称不上理想
，但它们已经适用于临床前的大动物实验，随后也必将能进入临床实用。如果基因
治疗能成功地应用于器官移植临床，必将对移植科学产生深刻的影响，并使器官移
植的适应症大大扩展至许多急慢性疾患。 

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