一甲子沉浮,“万能细胞”干细胞疗法还有多少种可能?丨纵横梳理

生物医学
一甲子沉浮,“万能细胞”干细胞疗法还有多少种可能?丨纵横梳理
麻省理工科技评论 2020-07-25

2020-07-25

一甲子沉浮,“万能细胞”干细胞疗法还有多少种可能?
医疗 生物
一甲子沉浮,“万能细胞”干细胞疗法还有多少种可能?

如果把人体内的各种细胞比做不同国家的流通货币,他们分别在各自的“城池”(组织、器官等)扮演者自己的角色,那么干细胞(stem cell)就是其中的“通货”。

从受精卵的有丝分裂到人类本体,人们常用 “鬼斧神工” 这一词汇形容生命的发育过程,干细胞也在其中扮演着重要的角色。

2012 年诺贝尔生理学或医学奖颁给了英国生物学家约翰 · 格登(John Gurdon)和日本细胞研究所主任山中伸弥 (Shinya Yamanaka)。两位科学家取得的成果都与诱导多功能干细胞(iPSc)相关,作为医学界的“万能细胞”,干细胞市场发展潜力巨大。在我国,国务院也将基因重组治疗性抗体、多肽类药物合成、干细胞治疗、基因治疗、转化医学等纳入“十二五” 国家战略性新兴产业生物医药发展蓝图的重点。

而干细胞疗法的大门开启的时间,始于近 60 年前,一个甲子已逝,干细胞疗法的发展也在时间的流逝中不断更新迭代。

“世界货币”

干细胞是早期未分化的具有自我复制无限增殖和多向分化潜能的原始细胞,缺乏分化标记,可塑性强,在不同的微环境可分化成不同系谱、不同胚层的组织细胞(目前已知 200 多种),分化后微环境改变还可以恢复原始状态,转分化为另一种组织细胞,是修复损伤和衰老的万能细胞。

随着医学的不断进步,再生医疗的时代到来了,再生医疗中起核心作用的就是干细胞。干细胞是一类具有自我复制和分化能力的多潜能细胞,在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞。普通细胞只能培育出和自己相同的细胞,例如血液细胞只能培育出血液细胞,皮肤细胞也只能培育出皮肤细胞。一旦细胞老化或受伤的话,其修复能力和再生能力就会下降。但是,干细胞是一种未充分分化、尚不成熟的细胞,具有再生各种组织器官和人体的潜在功能,故医学界被称为“万能细胞”。

它能够做到普通细胞做不到的事情,例如器官的修复再生。

通过从患者身上提取少量干细胞进行培养增殖再回输到体内,最大限度降低排异反应、并发症、伦理方面的风险。它最显著的价值是:通过对干细胞进行体外分离、培养、定向诱导分化等,能够培养出一种全新的、正常的、更年轻的细胞组织或器官等,通过特殊的技术移植到体内,更替那些衰老或非正常死亡的细胞,为传统医学无法解决的疾病治疗带来了革命型的突破。

而人体中的干细胞分为主要两种:一是胚胎干细胞,受精卵发育 4 到 5 天后的胚泡中大概有 150 个左右的细胞,这些细胞可以无限制分裂再生,也可以分化成人体内任何一种组织细胞,胎儿组织器官的发育都是从这些胚胎干细胞分裂分化来的;二是成体干细胞,即完全发育好的组织器官中所保存有少量的干细胞,所在的组织器官就是他们各自管辖的领地,正常状态下,其成人体内含量很少,必要时才进行分裂,以保持生长与衰退的动态平衡。一旦他们的 “管辖领地” 出现问题(受伤或病变),这些成体干细胞就开始工作,分化成特定细胞,完成身体的自我修复。

其中,胚胎干细胞包括 ES 细胞(Embryonic Stem Cell)、EG 细胞(Embryonic Germ Cell);成体干细胞包括,神经干细胞(Neural Stem Ce11,NSC)、血液干细胞(Hematopoietic Stem Cell,HSC)、骨髓间充质干细胞(Mesen chymal Stem Cell,MSC)、表皮干细胞(EPidexmis Stem Cell)等。他们分别具备不同的分化潜能,又可被分为全能干细胞、多能干细胞、单能干细胞。

全能干细胞具有形成完整个体的分化潜能,如受精卵;多能干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能,如胚胎干细胞;单能干细胞只能向一种或两种密切相关的细胞类型分化。如神经干细胞、造血干细胞。此外,山中伸弥海发现 3 种因子组合 (OCT3/4、SOX2 与 KLF4) 可诱导体细胞重回原始状态即成为诱导多能干细胞(iPSc),这让干细胞家族日渐扩大。

各司其职

不同的特性也给上述干细胞在疾病治疗中具备差异化的应用场景。

造血干细胞(Hematopoietic stem cells , HSCs)。主要指骨髓中的干细胞,具有自我更新能力,能够分化为各种血细胞前体细胞,最终生成各种血细胞成分,包括红细胞、白细胞和血小板,还可以分化成各种其他细胞,比如淋巴细胞。造血干细胞最主要的作用就是骨髓移植,救助患有血液病的人们,包括白血病、再生障碍性贫血等相关疾病。就目前的研究发现,造血干细胞还具有抗衰老保健的功效,在老龄化日益加重的情况下,这为人类延长寿命提高老年生活质量提供了很好的保障。

间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)。间充质干细胞来源于发育早期的中胚层,最初在骨髓中发现,具有多向分化潜能、造血支持和促进干细胞植入、免疫调控和自我复制等特点。齐具备多项分化潜能,能够分化成骨、软骨、脂肪、肌肉等,在组织损伤修复方面发挥多方面的作用;同时具备造血支持和促进干细胞植入的功能,为骨髓移植提供了更好的安全保障,间充质干细胞免的疫调控和免疫抑制能力也让其成为了治疗自身免疫性疾病的重要参与者,而细胞本身的自我复制能力也为抗衰老提供一种选择。

雌性生殖干细胞。雌性生殖干细胞是卵巢中卵母细胞和基质细胞的祖细胞,能够分化形成新的卵母细胞和基质细胞,修复受伤的卵巢。不仅如此,还能够为已经年老的女性恢复卵巢功能。

诱导多功能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSc)。自从 2006 年研究成功以来,备受干细胞届研究者的青睐。用不同的诱导成分,iPS 细胞能够分化成不同组织的细胞,对受损组织进行修复。除此之外,还有神经干细胞,可以在中枢神经疾病发挥作用;牙髓干细胞,主要作用是用在牙齿疾病上。

图丨干细胞应用(来源:Stem Cells in the Treatment of Disease)

综上所述,干细胞因种类不同,发挥作用也不同。迄今为止,许多种类的干细胞都有它们应用于治疗的成功案例,例如,治疗白血病的主要方法是造血干细胞移植;2014 年,日本完成首个 iPS 干细胞眼部移植实验,成功治疗了一例视网膜黄斑变性;2016 年,北京大学第三医院成功应用胎盘间充质干细胞治疗一例早衰症;2016 年 6 月,美国 Asterias 公司利用人源胚胎干细胞分化形成的少突细胞前体(GRNOPC1)治疗脊椎损伤被验证有效;2017 年,南昌大学第一附属医院在 Medicine Baltimore 期刊报道了胎盘间充质干细胞治疗糖尿病足溃疡的案例等。

市场分布

目前,仅有三个获批的干细胞药物上市,且它们都由韩国 FDA 批准,分别是 FCB-Pharmicell 公司的 Hearticellgram-AMI,该干细胞药物是一种自体 MSC 产品,通过注射到冠状 动脉治疗急性心肌梗死,该产品最初于 2011 年 7 月在韩国获批。Anterogen 公司用于治疗肛瘘的 Cuepistem 于 2012 年 1 月在韩国获批,Cupistem 是自体 MSC 产品。另外一个干细胞药物为 Medi-post 公司的 Caristem,用于治疗软骨损伤和骨关节炎,于 2012 年 1 月在韩国获得批准,同时,Caritistem 用是一种异体基因成体干细胞产品。

图 丨 全球获批的干细胞药物和产品详情(生辉根据公开资料不完全整理)

上表信息显示,其他的非药物类干细胞产品,如 Osiris Therapeutics 公司在 2012 年 5 月于加拿大获批的 Prochymal 是一种异体基因 MSCs 产品,用于难治性小儿移植物抗宿主病 (GVHD) 的治疗,尽管 Prochymal 在 III 期临床中的研究数据大多数都是无效的,但是考虑到部分患者中的有效数据,加拿大批准了该产品的上市。

2012 年,在获批的 10 个生物技术产品中,最引人注目的是两个干细胞治疗产品,它们分别为 Duke 大学医学院的脐带血造血干细胞静脉注射混悬液 (DuCord),以及 Clinimmune 实验室 公司源自脐带血的 HPC。它们是继 2011 年 11 月 10 日 HEMACORD 获批之后的两个新晋脐带血造血祖细胞制品,纽约血液中心的脐带血造血祖细胞 HEMACORD 作为美国 FDA 批准的第一个干细胞产品,现用于异基因造血干细胞移植, 治疗遗传性或获得性造血系统疾病的患者。这两个新药的获批提示了美国 FDA 将进一步完善外周血来源造血干细胞疗法相关规定。

除了上图中获得各国药品食品管理机构的干细胞产品外,目前临床使用中还有三款骨生物类产品:NuVaive 公司的 Osteocel、Orthofix 公司的 Trinity 以及 Skye Orthbiologics 公司的 LiquidGen。他们的来源都是多能间充质干细胞,这些产品作为异体骨基质的组成部分具有促进骨生成和减少炎症的作用。

除此之外,目前仍有众多处于临床中后期的干细胞产品和干细胞在研药物,其中 Gamida Cell 公司的 StemEx 是一 种异体基因干细胞产品,由于干细胞采集来源来自脐带血,所以也被誉为 “从架子上拿下来”(也被翻译为即取即用)的治疗,可用于白血病和淋巴瘤的治疗。除 StemEX 为“即取即用“干细胞疗法产品外, Mesoblaste 公司的 MPC 也属于该疗法的产品。

图丨全球目前临床中后期的干细胞产品和干细胞在研药物 (生辉根据公开资料不完全整理)

其中,间充质干细胞是当今干细胞药物研发中最受欢迎的一种,在所有干细胞新药研发中占比十分显著 。目前全球十余个获批上市的干细胞药物中,超过一半以上是间充质干细胞治疗产品。据国家药监局药品审评中心(CDE)官网信息,2018 年 6 月至今,国内已经有 9 款干细胞新药 IND 获得临床默示许可,分别是胎盘、脐带、异体 / 自体脂肪来源的间充质干细胞,适应症分别为脑卒中、急性肠炎、类风湿关节炎、糖尿病足溃疡、膝骨关节炎和膝骨关节炎。

图丨干细胞新药的 IND 申请获 CDE 受理(来源:国家药监局药品审评中心)

根据 Polaris Market Research 发布的最新研究报告,全球间充质干细胞市场前景明朗,在多种综合因素的影响下,整个市场将保持增长趋势。2018 年至 2026 年,全球间充质干细胞市场预计以 7.3% 的复合年增长率增长。

同一时期,全球市场调研机构 ARC(Analytical Research Cognizance)发布的报告显示也显示,全球间充质干细胞市场发展迅速,平均增长率为 6.2%。2018 年,全球间充质干细胞市场值为 1.7 亿美元,预计至 2024 年底将达到 2.2 亿美元。

报告指出,未来几年亚太地区将占据更多的市场份额,尤其是中国。全球最大的临床试验数据库网站 ClinicalTrials 的数据显示,2014 年以后间充质干细胞的临床试验发展势头迅猛,每年新增的临床试验数目在 100 项左右。截至目前,全世界相关研究共有 9307 项。

其中,东亚地区(中国、韩国,中国台湾、中国香港)共有 471 项研究已被收录。

图丨全球 MSC 相关研究分布情况(来源:ClinicalTrials)

中国本土是东亚地区开展间充质干细胞项目数最多的国家,多达 261 项。

图丨东亚地区 MSC 相关研究分布情况(来源:ClinicalTrials)

值得注意的是,除了在研的多能间充质干细胞来源的干细胞疗法产品之外,胚胎干细胞 (ESC) 在过去也一直备受关注,然而该领域却面临多重障碍。在美国,由于联邦资金的限制,胚胎干细胞研发代表公司 Geron 在 2011 年放弃了首个 ESC 试验。同时,在欧洲 Brüstle 与 Greenpeace 诉讼案中所涉及到人类胚胎干细胞专利问题威胁到了人体胚胎干细胞在欧洲的专利权。但是全球对于 ESC 研究的热忱仍然继续,这其中包括伦敦大学(UCL)与辉瑞公司,以及 Advanced Cell Technology 在胚胎干细胞用于肾脏疾病中的发现,此外老年性黄斑变性 (AMD) 也将是 ESC 研究的一个重要的目标。早期研究还显示,植入胚胎干细胞后 AMD 患者的感光损伤可以逆转。

“喜忧参半”

目前,干细胞最令人关注的应用前景是用来替换或修复丧失功能的细胞组织甚至器官。例如 , 用由胚干细胞分化来的神经细胞治疗帕金森等神经变性疾病、用造血干细胞根治血液病、用心肌细胞修复坏死的心肌,以及用胰岛细胞治疗糖尿病等。此外, 胚胎干细胞是遗传操作的最早期细胞,因此可以通过基因改造来治疗一些基因缺陷病。然而,人们现在掌握的科学技术离这些目标的实现还有一段距离。

问题之一是移植排斥反应。科学家正在探索各种解决途径,如通过修改胚胎干细胞的某些基因,以破坏细胞中表达组织相容性复合物的基因,躲避受者免疫系统的监视,防止免疫排斥效应。约翰 · 霍普金斯大学的科研人员曾在小鼠体内证明,基因改造的人血干细胞能够在发育成免疫细胞后 , 有选择性地激活某些基因。这一发现预示了依靠转人干细胞中的基因来抑制免疫系统、减少移植 排斥反应的可能性。但经基因改造的干细胞发育成组织和器官是否有生理缺陷,或者改造的基因是否会影响细胞中其他基因的功能,目前还不得而知。

治疗性克隆是目前能够从根本上解决免疫排斥问题的唯一方法。其基本思路是将患者自身的体细胞取出,并将此体细胞的细胞核注人另一去核的卵母细胞,重新编程 (克隆)后 , 在体外培养发育成囊胚,然后从囊胚中分离出与患者遗传特征一致的胚胎干细胞,将其在体外诱导分化成可供移植的特定的细胞组织或器官 , 再将这些细胞组织或器官移植到患者自身上。由于治疗性克隆的供核细胞来自患者自身,这将从根本上避免免疫排斥问题,并能保证细胞组织的充足来源。因此,治疗性克隆的研究成为当前世界范围内的一个大热门。我国治疗性克隆的研究课题获得了重大的突破并走在国际最前沿。由于治疗性克隆涉及到伦理学问题,因此我国目前有必要制定一套既符合国际准则又适合国情的生物伦理规范法规。

与干细胞的细胞组织移植相比 , 利用干细胞在体外发育成一完整的器官并用于器官移植,则面临着更多的挑战。随着现代组织工程的发展和新聚合物的诞生,一些组织结构比较简单的器官如皮肤血管、 软骨的培养在国内外已有成功的报道。但像心脏、肾脏等 精细复杂器官的培养还有待技术上的突破,也还无法做到离体培养而维持其正常生理功能。

对此,2007 年 12 月,Nature 杂志也首次发文评价了干细胞疗法,作者用 “喜忧参半” 这词汇形容干细胞疗法。

文章以 2 篇临床研究报道喜忧参半的结果,表达了对细胞疗法的期待与担忧。第一项成功研究来自德国波恩大学(University of Bonn)、美国康奈尔大学(Cornell University)兽医学院和匹兹堡大学(University of Pittsburgh)医学院等处的研究人员,他们通过向小鼠受损心脏注射移植胚胎心肌细胞(embryonic cardiac-muscle cells),成功地使其恢复了功能。这一结果意味着,将来也许能够用此技术治愈人类受损心脏。

第二项研究在神经医学领域。临床循证 “无情” 地显示,针对单一神经元的干细胞修饰未能取得预期效果,神经组织复杂的细胞组成和联络网使得 “干细胞修复战役” 进展步履艰难。美国麻省理工学院对成体神经干细胞的研究分析显示,一个神经干细胞只能产生一种特定类型的神经元,而且这种类型的细胞还可能携带一种预先设定的连接模式。这意味着,一个特定的神经元干细胞在替代治疗中的有效利用还受链接模式的限制,如果没有这种特殊模式的指令,一个新生的神经元将难以与之前自然编排好的 “搭档” 连接,因此无法实现该疗法的预期效果。因此,研究编排任意类型的干细胞 (胚胎干细胞、成体干细胞或通过其他手段得到的干细胞)将其转化为神经组织中几种已经被定向的干细胞群则显得尤为重要,“联合作战”必不可少。而特定类型的神经元连接模式将更为复杂,找不出他们的组合联手 “秘钥”,就不能打好修复重建的“战役”。

即便如此,相关临床实验仍在 “不屈不挠” 地进行着,2016 年 10 月 10 日,全球首例利用 iPSCs 治疗猴子心脏病见效果。Nature 发表另一项研究中,日本研究人员在实现器官再生中取得重要进展, 利用猴子皮肤细胞产生的干细胞使 5 只患病猕猴受损的心脏再生,但临床表现究竟如何,目前仍未可知。

可见,想要进人干细胞治疗疾病的“自由王国”,我们还有许多障碍要跨越。

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