移植免疫与诺奖的那些事
诺奖得主、免疫学家约瑟夫·穆雷和唐纳尔·托马斯
撰文 | 邓彪龙
责编 | 叶水送
今年71岁的杨运胜度过了他特殊的第44个生日，为什么这么说呢？故事得从北京友谊医院开始说起。1977年，杨运胜因为肾小球炎在北京友谊医院第一次接受肾移植手术。2002年，由于移植肾的功能减弱，他再次接受肾移植手术并健康地存活至今。
这一例创造国内最长肾移植存活年限记录的事件不仅凸显了几代医护人员兢兢业业为他的健康保驾护航的精神，更展现出不断成熟的肾移植手术给了许多肾病患者第二次新生机会。
移植手术是如何开展的，又经历了怎样的发展历程呢？其中最具有标志性的创举，是约瑟夫·穆雷（JosephE.Murray）和唐纳尔·托马斯（E.DonnallThomas）进行的抑制抗移植反应的尝试。
1990年，经过层层筛选，诺贝尔生理学或医学奖最终花落约瑟夫·穆雷（Joseph E.Murray）和唐纳尔·托马斯（E.Donnall Thomas），以表彰他们在“治疗人类疾病的器官和细胞移植”方面的发现。他们将器官移植从梦想变为现实，穆雷使用全身照射和细胞毒性药物预防移植后的排异反应，在1954年首次成功进行了肾脏移植手术。托马斯则通过甲氨蝶呤来抑制免疫系统引起的移植物抗宿主反应，顺利开发了骨髓移植治疗白血病。
前苏联医生伏罗诺伊的肾移植装置
先说肾移植手术的发展，早在1936年，前苏联的医生伏罗诺伊（Yuriy Voroniy）就成功将一位脑炎死者的肾移植给一位26岁的汞中毒的急性肾功能衰竭的病人。这是世界上首例人与人之间的肾移植手术成功案例。
不过遗憾的是，病人最终还是没有挨过一周。随着科学研究的不断，我们已经知道了这一现象是由于异体排斥。简单来说，就是在接受异体的器官时，自身的免疫系统能够识别并攻击异体来源的器官，造成异体来源的器官迅速衰竭失去功能，这一现象也被称为异体排斥现象。
但是人在衰老的过程中，往往伴随着器官的衰老和逐渐失去功能，甚至许多年轻人在身强力壮时期因为意外或者遗传因素，某个器官早早便衰竭。因此，器官移植是一条为了挽救生命必须尝试的道路，而在这条道路上创造奇迹的人之一，就是前文说的美国医生约瑟夫·穆雷。
1919年4月1日，穆雷降生在美国马萨诸塞州一个爱尔兰籍移民家庭。穆雷不是那种惊艳世人的天才，但是来自家庭的良好教育理念从小便帮助年幼的穆雷形成对知识的渴望和为他人服务的优良品质。青年时期的穆雷身体素质和语言天赋极好，他痴迷于篮球、棒球、滑雪，同时除了英文，他还熟练的掌握拉丁文、希腊文，这些都源于从小培养起的对事物不同寻常的热情。
但是，最让他着迷的还是科学，对未知的震撼和惊讶使得科研成为他一生的热爱。在高中二年级的化学课上，他第一次看到元素周期表时就深深为之兴奋。所有常见、不常见的元素都整整齐齐地填充在一张表中，仿佛宇宙的秩序就靠这一张表呈现了出来。他感慨着前贤惊人的智慧，更义无反顾地踏上了探寻真理的道路。顺应内心，他求学于哈佛医学院，在生物、物理、化学的知识海洋里遨游。从哈佛医学院毕业后，他又去哈佛医学院的附属医院实习了一年。
1944年，穆雷应征入伍，被分派到宾夕法尼亚州的福吉谷综合医院工作。在这里，战争伤员中有着大量烧伤病人，许多大面积烧伤病人甚至没有完好的皮肤可用来移植治疗烧伤。穆雷跟随着布朗医生（上校）一起开展异体皮肤移植手术，在这过程中发生的排异反应引起了他的注意。他敏锐地发现，有些免疫系统受损的患者，排异反应会大大滞后；不同供体皮肤移植后的排异反应的程度也不尽相同。与此同时，穆雷又从布朗医生处得知，早在数年前，布朗医生为一对同卵双胞胎交叉移植皮肤，结果两人都没有出现排异反应。
结合这些情况，穆雷认为对免疫系统的控制能够大大提高器官移植的成功率，这个想法成了他进一步深入研究的核心思想。穆雷曾接手一位肾损伤病人手术，他根据前人经验用尸体肾脏移植到病人身上，但结果病人却在短短数个小时后宣告死亡。尽管器官移植的概念早已被提出，但实践上迟迟未有令人信服的成功案例。他意识到器官移植是一个值得深入研究的工作，但这个工作的进展却在道德伦理层面遭受很大阻力。几个要好的同事劝他尽快放弃研究，以免损害他将来的职业生涯，甚至一些偏激的医生认为他“真把自己当成上帝”。
然而，穆雷却不愿意放弃自己的目标，他开始以狗作为试验动物来探索肾脏移植排斥原理。穆雷根据早前自己对免疫系统的猜测，开始寻找排异反应的边界。他在多次动物实验之后发现，当血缘关系越相近，遗传背景越相似时，排异反应便越弱。随即他得出一个崭新的结论，如果在同卵双胞胎之间进行肾移植，那么病人应该可以长期存活。
让他的新结论变成理论的一个契机便是，1954年的圣诞节前夕，医院接收到了一对同卵双胞胎兄弟，年仅23岁的哥哥罗纳德·赫里克和弟弟理查德·赫里克。两人在朝鲜战争时一同入伍，哥哥分派到陆军，而弟弟则在海岸警卫队。随着服役期结束，两人一同退伍准备开始新生活，但就在这时，弟弟被检测出了严重的肾炎，并且病情不断恶化，如果再得不到有效治疗很快就会死亡。但治疗方法只有成功案例寥寥的肾移植，所有医生都清楚这次手术不是行医而更像行凶。哥哥不懂这些内情，反复恳求医生们救救弟弟，主动提出捐献自己的肾，还保证后果自负。
当时的医生都在犹豫，唯独穆雷愿意为他们手术，不仅仅是因为难得一遇的同卵双胞胎兄弟病例可以有力证明他先前的结论，更多的是，作为一名医生，他抱着“使更多的人活着”的想法去尝试拯救一个鲜活的生命。随后以穆雷为首的医疗小组先为两人做小型植皮手术，确认了不会发生排异反应。接下来的时间，穆雷积极备战手术，继续翻看文献确认自己的猜想，不断构思手术的细节。
就当穆雷准备好实施手术时，道德伦理方面的阻力再次出现，这次手术竟演化成社会级别的问题。一部分医生坚决反对进行器官移植，他们认为从健康人体摘取器官本就违反伦理，何况这样移植不会给受体带来任何好处。公众舆论中反对这次手术的声音居多，他们冷嘲热讽穆雷等人是为了出风头而不顾病人生死。
穆雷没有反驳，他理解他们的反对，但哪个医生愿意自己奋力救活的生命在数个小时后再度枯竭？这样的事情是残酷的，对患者而言是一种折磨，对医生而言同样残忍。无论技术层面还是伦理层面他都理亏，他只能坚持要求，要履行一名外科医生的本职工作。在与当地其他医生、神职人员乃至政治代表进行长时间的争论后，他终于拿到了最高法院签署的特别法令，获得批准进行手术。
此时，穆雷清楚他的这一场手术，不仅关乎人命，还包括了他的职业生涯。手术在波士顿的布里汉姆妇科医院进行，经历5个小时半的等待后，手术终于宣告成功。随后养护观察过程中，也没有发现任何不良反应，所有人悬着的心终于放松了下来。据记载，哥哥罗纳德健康地活到了79岁，而弟弟理查德也在手术后快乐地存活了8年之久，甚至在住院期间与一名护士相爱，生下了两个可爱的孩子。不过，最终弟弟因为心血管疾病离世，而那只从哥哥那移植来的肾直至他离世还在正常工作。
穆雷也因为这次背负巨大压力的成功手术，顺利获得了1990年的诺贝尔生理学或医学奖，他的成果极大的推动了器官移植领域的发展和医学伦理建设。但他没有因此停下探索的步伐，他深刻的意识到，肾移植的排斥反应仍然没有解决。于是，在1959年，穆雷尝试用放射线杀死免疫系统内的T细胞，成功抑制了排异反应。
随着肾移植领域的日趋发展，到如今，全球每年大约要进行3万多台肾移植手术，手术可以为患者延长平均15-20年的寿命。在我国，目前仍然以尸体肾移植为主。移植肾的一年存活率都在90%以上，5年存活率在70％以上，存活时间在10年以上的也有50％。而活体之间的肾移植在国外已经很普遍了，与尸体肾移植相比，活体肾移植的肾脏功能恢复更快，存活时间也更长。
骨髓移植和肾移植或其他器官移植相比不得不面对一个截然不同挑战，在骨髓移植中，因输入的骨髓细胞内即存在着捐赠者的免疫细胞，因此一旦移植成功，除了一般器官移植所发生的宿主对植体的可能排斥外，植入的免疫细胞亦会发挥辨识功能，反而攻击宿主的组织，而导致一种严重的植体对宿主反应（graft versus host disease，GVHD）。植体对宿主的反应有可能严重破坏皮肤及肠胃等器官。
骨髓移植是造血干细胞移植的一类，是通过大剂量放化疗预处理，清除受者体内的肿瘤或异常细胞，再将自体或异体造血干细胞移植给受者，使受者重建正常造血及免疫系统。造血干细胞是骨髓中从卵黄囊全能间叶细胞分化来的最原始的造血细胞，它具有高度自我更新或自我复制能力，并有进一步分化为各组细胞的能力。每个干细胞都具有分化和分裂的能力，造血干细胞也不例外，造血干细胞经有丝分裂后，正常稳定状态下约半数子细胞仍保持干细胞的全部特性。这种自我更新能力使干细胞总容量的大小维持不变，可一直保持到正常健康机体的生命终止。
另一方面，干细胞在有丝分裂过程中，可能基因发生重排或易位，某些促进细胞分化成特定功能细胞的基因表达，使细胞特征发生改变而变成功能型细胞，例如具有运输氧功能的红细胞。造血干细胞移植可以治疗许多疾病，比如白血病、地中海贫血症和重症再生障碍性贫血等。可以说，骨髓移植和肾移植同是20世纪医学巅峰的代表作。
唐纳尔·托马斯，1920年出生于美国德克萨斯州马特镇。同样，唐纳尔也没拥有令人羡慕的天赋。在中学时，唐纳尔学习成绩并不优异，在高中全班仅有的15名学生中，他只能排在中等甚至偏下。1937年，唐纳尔考入位于奥斯丁的德克萨斯大学，主修化学和化学工程，此时的成绩仍非常一般，第一学期仅得B级。
甚至，在获得硕士学位后，托马斯于1942年进入哈佛医学院学习也是借助了二战爆发的影响。他本来打算在德州找个学校读医学，没敢想过大都市，但是当时战争逐渐白热化，美国正在全力扩军参战，军队需要大量的军医，所以军方和政府出钱，资助医学生免费求学，学成再到军队服役的模式就出现了。当时他已经是陆军预备役人员，于是尝试申请了哈佛医学院，没想到竟然真的被录取。
虽然唐纳尔的求学之路显得磕磕绊绊，但是有两个人影响唐纳尔的一生。一个是他的父亲，唐纳尔的父亲上过大学，却义无反顾地回到了偏远的故乡小镇，当一名普普通通的乡村全科医生。那些日子教会了唐纳尔打猎、钓鱼，也让他立下了治病救人之心。
另外一位是陪伴他一生的妻子多萝西·马丁（Dorothy Martin），他们认识不久后就相恋并于1942年结婚。为了支持唐纳尔工作，婚后多萝西放弃了新闻方面的工作，转而进入医学院接受实验技术人员的培训。从此以后，两人开始在实验室和办公室一起工作，多萝西也成为唐纳尔的重要合作者和造血干细胞移植的坚定支持者。
唐纳尔·托马斯
1939年科学家们第一次在人体开展骨髓移植，他们尝试将新鲜的供体骨髓注入受体骨髓和静脉中，以治疗再生障碍性贫血。但这种两眼一抹黑的尝试，自然是以失败告终。而接下来的原子弹事件，促使人们探索如何抵御核辐射，科学家们发现，把异体来源的骨髓细胞注射到受辐射小鼠体内可以使小鼠的放射损伤得到一定修复，延长生存期，并且使小鼠成功耐受了移植自同一供体来源的皮肤，这暗示着骨髓移植可以修复一部分辐射造成的免疫功能损伤。
这些研究促使在哈佛医学院求学期间的唐纳尔对贫血和白血病产生了浓厚兴趣。唐纳尔观察到一位患有急性淋巴细胞白血病（Acute lymphoblastic leukemia，ALL）的幼儿服用抗叶酸药物后症状缓解，但治疗过程中的痛苦促使唐纳尔决定探索白血病治疗的新方法和研究骨髓发育相关因子。
1946年，唐纳尔获得医学博士学位。毕业后，唐纳尔首先进入波士顿的彼得·本特·布利格汉姆医院实习，重点研究血液病，接触了器官移植领域。正是在这个时期，唐纳尔大脑中萌发了一个想法：如果先用大剂量射线照射，杀灭掉血液系统癌症患者体内的癌细胞，再用骨髓移植的手段恢复同时被摧毁的正常血细胞，不就能治好患者吗？这个想法的实验因为服兵役而不得不推迟了几年。
1955年夏，他被纽约州库伯斯敦的玛丽·伊莫格尼·巴塞特医院聘为主治医师，为了更好地实现自己的想法，托马斯决定首先以狗为研究对象进行动物实验，选择狗的原因是狗的体积足够大，可方便进行外科操作和骨髓输入。为了尽早挽救患者生命，托马斯决定动物实验和临床试验同时进行。实验结果表明部分经过骨髓移植后的狗可正常生活，并且拥有正常寿命，因此托马斯确信，如果能获悉移植成功背后的机制，则人类骨髓移植也可达到同样预期目标。
1956年底，托马斯对一对同卵双胞胎进行了第一次骨髓移植以治疗其中一名晚期白血病患者，随后又对5名患者进行了相同的治疗。6位病人都首先进行放射性照射，然后再使用来自同卵双胞胎骨髓进行静脉注射，尽管注射后6位病人都没有出现严重副作用，但遗憾的是仅有一位病人最终检测到供体移植的骨髓，而且没有一位病人生存期超过100天。1957年，托马斯在《新英格兰医学杂志》上发表了人骨髓移植的第一篇论文，从而开启了自己骨髓移植的研究领域。
1963年，托马斯来到西雅图的华盛顿大学。当时，医学院成立不久，托马斯在西雅图公共卫生医院组建了一个小的研究小组，重点目标在于解决移植过程中的免疫排斥和GVHD问题。
20世纪60年代，在法国科学家多赛发现人类白细胞抗原（human leucocyte antigen, HLA）的基础上，托马斯研究小组在组织匹配成功的狗之间进行造血干细胞移植，结果大部分接受造血干细胞移植的狗可长期生存，这些成果极大地增加了托马斯的信心。1967年，托马斯开始考虑重新回到临床研究，为了使治疗效果更为理想，托马斯组建了一个包括护理等在内的治疗小组，并且获得了美国国立癌症研究所的资助。1969年3月，托马斯团队在一对配型成功但不是同卵双胞胎的兄弟之间进行了骨髓移植以治疗晚期白血病。
20世纪70年代，托马斯小组开始了全面造血干细胞移植的临床应用，但在实际工作中遇到一系列难题。如患者高剂量辐射只能在一家距离较远的原军事设施地下掩体中进行，而且辐射完毕后患者还需要用救护车迅速转移到医院无菌病房。
为了达到最优治疗效果，托马斯制定了严格的造血干细胞移植程序：白血病患者首先接受大剂量辐射治疗以同时达到杀死癌细胞和削弱免疫系统的目的，从而使机体减少对移植物的排斥；随后患者获得组织相容性配型匹配的骨髓；接下来继续使用MTX、6-巯基嘌呤（6-mercaptopurine）和硫唑嘌呤（Azathioprine）等药物抑制免疫系统。当病人出现移植物抗宿主情况（GVHD）时，托马斯就将人淋巴细胞接种到马体内以制备抗单核细胞抗体进行治疗。
尽管早期大部分骨髓移植后病人死于白血病的进一步恶化或移植并发症，但可喜的是仍有一部分病人得到缓解。在1975年时统计治愈率仅有12%，但随着临床经验的积累和操作程序的完善，骨髓移植对白血病的治疗效果也在逐步提升，甚至还有白血病患者完全痊愈，到20世纪70年代末时成功率已提升至50%。随着大量白血病患者骨髓移植手术的成功，由内科医生和护士组成的托马斯小组形成了一个稳定且集中的团体，但不久后他们就面临一个更大的难题。
1972年，由于联邦政府的财政原因，医院面临关闭的危险，为此托马斯将实验室搬到西雅图弗雷德·哈金森癌症研究中心（Fred Hutchinson Cancer ResearchCenter），托马斯担任医学肿瘤学研究部第一任主任，后担任临床研究部主任。在这里，托马斯开展了更大范围的造血干细胞移植的临床实验。
20世纪70年代早期，骨髓移植主要在兄弟姐妹间进行。由于同代之间HLA配型成功几率只有1/4，这种供体和受体之间的狭窄选择大大阻碍了骨髓移植的实施。20世纪70年代后期，随着对HLA理解的深入和抗原鉴定技术的改善，托马斯开始考虑在非血缘关系间进行造血干细胞移植。此时一位晚期白血病患者，由于未找到合适的HLA配型亲属而迟迟无法进行造血干细胞移植，巧合的是，托马斯研究所一位技术员恰好和该名患者的HLA配型相同并自愿捐献骨髓。随后移植被成功实施，尽管该患者在移植后2年复发，但至少证明非亲属间骨髓移植的可行性。
这次成功也促使托马斯开始考虑建立全国骨髓捐献库的可行性，通过储备大量正常个体的骨髓以有利于筛选到与患者HLA配型相同的骨髓。随后，美国国家骨髓捐献计划确立，该计划已收集到大约1000万份的组织特异性供体骨髓。许多国家也先后确立了相似计划，由于骨髓运输简便，建立的骨髓库还可用于世界范围内的配型筛选，从而大大增加了骨髓移植成功的几率。
目前，全球大约进行了6万多例骨髓移植。我国早在20世纪60年代便开始了同基因骨髓移植（孪生者之间），并取得成功。当前摆在我国以及全世界医学家面前的任务是如何防止移植后复发，因为移植后失败的原因有一半是由于复发所致，所以这也是我们未来很长一段时间内需要面对的巨大挑战。目前，移植复发防治的重点研究方向包括移植前策略和移植后策略的调整与完善，前者包括新的药物、强化预处理，后者包括移植后免疫调控、淋巴细胞回输、干扰素、去甲基化药物、CAR-T的应用等。
正如托马斯自己所说：科学的进步往往不是来自重大突破，而是来自实验室研究和临床患者治疗过程中的微小但很艰难的一点点进展，正是这些小进展在逐渐改善着人们的生活水平和身体健康。
注：感谢上海市免疫学研究所李斌教授及实验室成员对本专栏的支持。
制版编辑 | Morgan