Medycyna w parze z zootechniką

Wprowadzenie ludzkich genów do organizmu świni sprawi, że ryzyko odrzucenia przeszczepu się zmniejszy

Prof. Zdzisław Smorąg
– profesor doktor habilitowany, kierownik Działu Biotechnologii Rozrodu Zwierząt Instytutu Zootechniki, a zarazem kierownik interdyscyplinarnego projektu badawczego z zakresu ksenotransplantacji.

Medycyna już od lat zna sposoby wymiany narządów ludzkich – chorego serca, wątroby, nerek, płuca, trzustki. Jednak organów do przeszczepów brakuje, toteż wielu chorych umiera, nie doczekawszy się wymiany narządu zniszczonego chorobą. Wielkie nadzieje rozbudziły komórki macierzyste, mające zdolności tworzenia określonych narządów, jednak szansa na ich wykorzystywanie w transplantologii ciągle się oddala. Nie sprawdzają się też narządy skonstruowane mechanicznie.
Obiecującym źródłem narządów i tkanek potrzebnych do przeszczepów są zwierzęta. Transplantacja do organizmu ludzkiego narządów zwierzęcych jako obcogatunkowych nazywa się ksenotransplantacją (gr. ksenos – obcy). Przeszkodę stanowi bariera immunologiczna – organizm ludzki siłą swojej odporności odrzuca organ obcego gatunku. Stosowane leki immunosupresyjne nie zawsze są w stanie temu zapobiec, zresztą nie są obojętne dla organizmu biorcy – zmniejszają jego odporność.
W Instytucie Zootechniki Państwowego Instytutu Badawczego w Balicach koło Krakowa trwają prace nad taką modyfikacją genetyczną świni, by jej organy, użyte do przeszczepu, nie wywoływały w organizmie ludzkim reakcji immunologicznych prowadzących do ich odrzucenia.
O modyfikacji genetycznej świń, których narządy posłużą do przeszczepu, mówi prof. Zdzisław Smorąg.

Rozmawia Krystyna Rożnowska

Dlaczego właśnie świnię uznaliście za to zwierzę, którego organy najbardziej nadają się do przeszczepiania ludziom, a nie np. małpy, bardziej zbliżone biologicznie do człowieka? Przecież bliższe pokrewieństwo stwarza większe szanse na przyjęcie się przeszczepionego narządu.
– Podobieństwo organizmu człowieka i świni na poziomie DNA jest duże. To pozwala na taką zmianę genomu świni, czyli składu genetycznego, by go upodobnić do genomu człowieka. Dokonuje się tej zmiany, wprowadzając geny człowieka w miejsce genów świni odpowiedzialnych za barierę immunologiczną. Taką genetyczną modyfikację można nazywać humanizacją zwierząt. Ponadto organizm świni stosunkowo łatwo poddaje się inżynierii genetycznej. To prawda, że małpy są nam nieco bliższe, toteż nasz organizm łatwiej zaakceptowałby organ od nich pochodzący, ale to pokrewieństwo zwiększa także ryzyko przejęcia razem z organem drobnoustrojów chorobotwórczych, które w podobnym środowisku mogłyby dalej się rozwijać. Pochodzący od małpy wirus HIV zdaje się potwierdzać ten pogląd.
Podobieństwo do świni nie jest dla nas miłe, ale skoro już istnieje, proszę powiedzieć, co jeszcze upodabnia nasz organizm do organizmu tego zwierzęcia?
– Świnia ma narządy zbliżone wielkością i wydolnością do ludzkich, podobne ciśnienie tętnicze i parametry hemodynamiczne, a także niektóre hormony, takie jak insulina oraz czynniki tkankowe.

OD ŚWINI PRZEZ MAŁPĘ DO CZŁOWIEKA

Na czym polega genetyczne upodabnianie organizmu świni do organizmu człowieka?
– Na wymianie genów świni, odpowiedzialnych za reakcje odrzucania obcego organu, na geny człowieka. Są to zabiegi z zakresu inżynierii genetycznej. Stosujemy różne strategie, dodając jedne geny, a eliminując drugie. Bo za poziom bariery immunologicznej, a więc procesy odrzucenia wszczepionego organu, jest odpowiedzialnych wiele genów, trzeba kolejno je wymieniać, by uzyskać osobniki z wielogenową, czyli podwójną, potrójną lub poczwórną transgenezą. Dopiero kombinacja tych genów może przynieść efekty obniżające barierę immunologiczną człowiek-świnia.
Nie znamy przecież wszystkich genów.
– Ale te odpowiedzialne za poziom bariery immunologicznej znamy dość dobrze.
Dziewięć lat temu przyszedł na świat w waszym instytucie knur Wojtek. Był pierwszym urodzonym w Polsce knurem transgenicznym. Posłużyliście się wtedy konstrukcją genetyczną wykonaną przez zespół prof. Ryszarda Słomskiego z Instytutu Genetyki Człowieka PAN w Poznaniu, a manipulacje genetyczne przeprowadzał prof. Jacek Jura z waszego instytutu. Ostatnio urodziły się świnie z kolejnymi transgenami. Jaki poziom zmian transgenicznych osiągnęliście obecnie?
– Knur 1154, nazwany na potrzeby prasy Wojtkiem, miał jeden gen zmieniony na gen człowieka, ale to za mało, by narządy takich osobników przeszczepiać ludziom. Po tym knurze mamy już ok. 300 transgenicznych prosiąt. Ostatnio wyhodowaliśmy świnie, które mają po dwa wprowadzone od człowieka geny, a więc są to osobniki z podwójną transgenezą, świnie z kolejnymi transgenami uzyskują zaś dojrzałość płciową. Wkrótce powinniśmy więc mieć osobniki potrójnie, a nawet poczwórnie transgeniczne, co oznacza, że gdyby ich organy zostały przeszczepione człowiekowi, powinny by wykazywać mniejszą barierę immunologiczną. Naszym celem jest wprowadzenie do organizmu świni pięciu genów pochodzących od człowieka, dopiero wtedy bariera immunologiczna powinna być na tyle osłabiona, że będzie można przystąpić do prób na małpach, czyli do ostatniego etapu badań przed przeszczepianiem ksenogenicznych organów pacjentom, którzy wyrażą na to zgodę.
Czy transgeniczne świnie różnią się też pod innymi względami od pozostałych?
– Nie ma żadnych różnic między osobnikami transgenicznymi a pozostałymi w wyglądzie, jak też pod względem plenności, płodności czy zdrowia. Ale bada się np., jaki wpływ na ludzki organizm będzie miał świński wirus – retrowirus typu PERV, i czy da się go wyeliminować po przeszczepieniu narządów.

NAJPIERW LEKI, POTEM NARZĄDY

Prowadzicie też badania nad klonowaniem zwierząt i regulacją płci. Czy postęp w tych pracach badawczych będzie miał wpływ na uzyskanie osobników transgenicznych przydatnych w ksenotransplantacji?
– W tym samym roku co knur 1154 urodził się u nas pierwszy królik sklonowany naszą własną metodą. Klonowanie jako metoda powielania jednego osobnika mającego z punktu widzenia ksenotransplantacji optymalne cechy będzie służyć do uzyskiwania grupy osobników charakteryzujących się tymi samymi cechami, co oznacza możliwość standaryzacji pozyskiwanych od nich organów i tkanek.
Wyhodowane u was świnie byłyby więc dawcami wielu narządów, a także szpiku do przeszczepu czy komórek trzustkowych (Langerhansa) produkujących insulinę, jak również komórek nerwowych, które mogłyby być przeszczepiane w chorobie Parkinsona. To piękne perspektywy skutecznego leczenia wielu częstych i groźnych schorzeń, a więc i przedłużenia ludzkiego życia. Kiedy narządy transgenicznych świń będą powszechnie wykorzystywane w transplantacji?
– Nie jestem w stanie tego określić, nie wiadomo, co wyniknie z kolejnych badań, chyba jednak nie tak szybko, jak byśmy chcieli. Zresztą nie my oceniamy przydatność narządów naszych transgenicznych świń do przeszczepu, lecz zespoły medyczne transplantologów. Powstały takie zespoły oceniające efekty naszej pracy i uczestniczą one w projektach dotyczących ksenotransplantacji.
Kto by przypuszczał, że zootechnika tak dalece zbliży się do medycyny…
– U nas stało się to w końcu ubiegłego wieku, kiedy w medycynie odczuwało się tak dotkliwie brak narządów do przeszczepu. Nasz Instytut Zootechniki, jako jedyny w Polsce, zajmował się transgenezą dużych zwierząt, znaliśmy więc metody manipulowania w zakresie inżynierii genetycznej. Nasze prace na temat transgenezy zwierząt najpierw były ukierunkowane na cele produkcyjne, potem farmaceutyczne, tak aby z mleka, krwi, moczu i innych płynów ustrojowych odpowiednio zmodyfikowanych zwierząt pozyskiwać białko o właściwościach terapeutycznych. Stało się to możliwe dzięki szerokiej współpracy z ośrodkami naukowymi Francji i USA, a w ostatnim dziesięcioleciu kluczowe znaczenie ma tu doskonale układająca się współpraca z zespołem prof. Słomskiego z Poznania.
To już był krok w stronę medycyny.
– Tak, to mogło posłużyć wytwarzaniu leków, a więc zdrowiu. Dopiero potem przystąpiliśmy do prac nad ksenotransplantacją.
Ksenogenne zastawki serca, pochodzące od świń i cieląt, wszczepiano już od dawna. Pamiętam, że znany kardiochirurg prof. Antoni Dziatkowiak stosował je przed wielu laty.
– Zastawka to tkanka, nie zaś ukrwiony narząd, w przypadku jej przeszczepienia niebezpieczeństwo odrzucenia jest mniejsze, choć przed wszczepieniem poddaje się ją decelularyzacji, by usunąć czynniki antygenowe i zapobiec odrzuceniu przeszczepu. U świń wyhodowanych przez nas ta bariera immunologiczna jest obniżona, więc także niebezpieczeństwo odrzucenia pochodzących od nich zastawek będzie mniejsze. Zastawki od zmodyfikowanych genetycznie świń powinny też być trwalsze, bo nie będą podlegać niszczącym je procesom immunologicznym. Świnie z wbudowanym jednym genem ludzkim w pierwszym etapie naszego projektu badawczego są wykorzystywane jako „dawczynie” zastawek serca w badaniach prowadzonych przez Fundację Rozwoju Kardiochirurgii w Zabrzu.

MISJA I PIENIĄDZE

Przypuszczam, że podobne jak u was badania prowadzą również inne ośrodki na świecie.
– Modyfikowaniem transgenicznych zwierząt zajmują się też m.in. amerykańskie firmy biotechnologiczne, takie prace badawcze prowadzą także niektóre ośrodki europejskie, lecz uzyskane wyniki naukowe nie są w pełni znane. Przekładają się one na ekonomiczny produkt, więc nikt się nimi do końca nie chce dzielić. Może się zdarzyć, że pewnego ranka usłyszymy w wiadomościach informację, że wątroba transgenicznej świni została przeszczepiona człowiekowi.
Życzę, by była to świnia wyhodowana w waszym instytucie. Współpraca różnych ośrodków naukowych prowadzących podobną działalność mogłaby jednak przyśpieszyć osiągnięcie sukcesu, istotnego dla wszystkich.
– To piękna idea, ale wiemy, że gdy w grę wchodzą duże pieniądze, sprawy zaczynają się komplikować.
A jak pan profesor zdobywa środki na badania?
– Nie mogę narzekać. Środki na nasze badania z zakresu ksenotransplantacji pochodzą z budżetu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju i pozwalają je prowadzić w dość dużym zakresie.
Pamiętam, że już Zbigniew Religa podjął jedną z pierwszych na świecie prób przeszczepienia człowiekowi serca pochodzącego od świni. Niestety, tuż po operacji pacjent zmarł.
– Nie mogło być inaczej, bariera immunologiczna człowiek-świnia na to nie pozwalała. Jednak tej próby nie można uznać za straconą, utorowała ona w pewnym sensie także kierunek naszego myślenia.
Ale gdyby to serce pochodziło od waszej transgenicznie zmodyfikowanej świni…
– Myślę, że efekt byłby inny. Z tym jednak zastrzeżeniem, że modyfikacje genetyczne spełniałyby warunki, o jakich mówiliśmy wcześniej.

Narządy od świń moralnie akceptowane

– Uważam, że modyfikacja genetyczna w embrionalnym okresie rozwoju świni w celu pozyskiwania od niej tkanek i narządów do wszczepiania i do przeszczepów człowiekowi przyniesie dobre efekty – mówi kardiochirurg prof. Antoni Dziatkowiak, który razem z prof. Janem Mollem wykonał pierwszy w Polsce przeszczep serca (1969 r.). – Sam ponad 40 lat temu z powodzeniem wszczepiałem chorym zastawki serca pochodzące od świń, jeszcze wtedy bez ich genetycznego przygotowania. Moja praca habilitacyjna (1972 r.) ma tytuł: „Badania doświadczalne i kliniczne ksenogennych (obcogatunkowych) zastawek aortalnych serca”. Nie jest to więc sprawa nowa. Amerykanie już chyba 20 lat temu wprowadzili ludzkie geny do zarodka świni, by zmniejszyć u biorcy (człowieka) reakcje odrzucenia przeszczepianych od niej implantów – m.in. zastawek serca, kości, rogówek oka. Przeszczep (transplant) różni się od implantów tym, że jest narządem unaczynionym i wielofunkcyjnym, bardziej narażonym na odrzucenie niż proste zastawki. Mam nadzieję, że dzisiaj, gdy ludzki genom jest już znany i można w sposób kontrolowany sterować genami, potrafimy uzyskać od transgenicznych świnek implanty oraz transplanty do przeszczepiania z coraz słabszym natężeniem procesu ich odrzucania przez biorcę.
Natomiast sztuczne narządy elektromechaniczne, jak sztuczna nerka, serce czy trzustka, moim zdaniem będą tylko czasowym pomostem w oczekiwaniu chorego na naturalny narząd od zmarłego człowieka lub od transgenicznego zwierzęcia. Wyrażam też nadzieję, że pod koniec XXI w. komórki macierzyste własne pacjenta lub pobrane z łożyska, ewentualnie z zarodka ludzkiego, spełnią oczekiwanie ludzkości na praktyczną możliwość „hodowli” tkanek i narządów dla konkretnego chorego oczekującego na przeszczep. Tutaj wystąpią jednakże liczne przeszkody kulturowe i moralno-etyczne oraz religijne.
Kierunek badań zmierzający do pozyskiwania narządów od świni transgenicznej, czyli zmodyfikowanej genetycznie, jest w naszej kulturze akceptowany, słuszny i bardzo obiecujący. Gratuluję autorom dotychczasowych wyników ich prac naukowych na zwierzętach i życzę sukcesów.

Prof. dr hab. Zdzisław Smorąg jest specjalistą biologii rozrodu zwierząt. Niemal 40 lat prowadzi badania nad transplantacją zarodków zwierząt, w ich wyniku urodziły się pierwsze w Polsce i jedne z pierwszych na świecie jagnięta i cielęta po transplantacji kriokonserwowanych zarodków. W latach 80. z powodzeniem pracował wraz z zespołem nad zapłodnieniem in vitro i klonowaniem zarodkowym. Następnie podjął badania nad transgenezą zwierząt oraz klonowaniem somatycznym. Ich rezultatem było urodzenie się pierwszych w Polsce transgenicznych królików, świń i kóz. W latach 2002-2005 kierował pracami nad interdyscyplinarnym projektem dotyczącym ksenotransplantacji, zakończonymi uzyskaniem transgenicznych świń. Był koordynatorem sieci naukowej biotechnologii rozrodu zwierząt. Jest autorem niemal 500 publikacji naukowych, promotorem dziewięciu przewodów doktorskich, recenzentem rozpraw habilitacyjnych. Współpracował lub współpracuje z ośrodkami badawczymi w Niemczech, we Francji, w Japonii, Belgii, Czechach i USA. Członek korespondent PAN i licznych towarzystw naukowych polskich i zagranicznych. Został odznaczony m.in. Krzyżem Kawalerskim Polonia Restituta oraz Krzyżem Oficerskim Orderu Odrodzenia Polski.