获得诺贝尔奖的多能干细胞技术离临床应用还有多远?

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▎药明康德编译整理(来源:www.the-scientist.com)

2012年,诺贝尔生理学或医学奖授予了英国科学家John B. Gurdon先生和日本科学家Shinya Yamanaka博士,表彰他们将成熟细胞重新编程,转化为可以分化为多种细胞类型的诱导多能干细胞(iPSC)方面的突破性研究。自从在2006年被发现以来,iPSC被誉为能够为再生性医药带来革命的发现。12年已经过去了,它们的研究进展到了那个阶段呢? (自媒体www.777n.com)


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获得诺贝尔奖的多能干细胞技术离临床应用还有多远? (原文来自www.777n.com)

▲2012年诺贝尔生理学或医学奖得主John B. Gurdon先生和Shinya Yamanaka博士(图片来源:nobelprize.org)


iPSC的最初临床试验


在2018年10月的一项外科手术中,京都大学(Kyoto University)的神经外科医生将240万细胞移植到一名帕金森病(PD)患者的大脑中。这些细胞是由匿名捐献者的外周血细胞重新编程成为iPSC,然后再分化生成的多巴胺能前体细胞。研究人员希望它们能够提高多巴胺水平,缓解患者的症状。


这项手术是临床医生们检测iPSC能否用于治疗疾病的最新尝试。近几年来,日本的科学家们启动了几项临床研究,检验它们在治疗心脏疾病和视网膜黄斑变性方面的功效。而世界其它地方的研究人员在探索将这些细胞转化为治疗从子宫内膜异位到脊髓损伤等一系列疾病的疗法。这些临床研究的启动给人们带来希望,这项获得诺贝尔奖的科学发现终将开花结果,为患者带来创新疗法。


“我很高兴他们试图将这项技术推入临床期,因为iPSC领域需要证明这些细胞具备成为再生性疗法的潜力。”伊利诺伊大学芝加哥分校的Jalees Rehman博士说。然而,将这一技术推入临床的过程也暴露出开发疗法时需要面对的挑战。


目前,只有少数患者接受了基于iPSC的治疗。在2014年,一名患有黄斑变性的女性接受了从iPSC分化的视网膜细胞的移植,这些iPSC来自于她自身的细胞。虽然她的视力没有因为这一治疗得到显著改善,但是“iPSC分化细胞的安全性得到了确认”,京都大学的Jun Takahashi博士写道。他也是帮助将iPSC分化为多巴胺能前体细胞的干细胞生物学家,这些细胞被用于植入到PD患者大脑中。他的太太,RIKEN发育生物学中心的Masayo Takahashi博士,生成了在这项临床试验中使用的视网膜细胞。


去年,有5名患者使用iPSC分化的视网膜细胞治疗同样的眼科疾病,这些iPSC细胞是从其它捐献者中获得的。其中一名患者出现了对移植体的严重但不致命反应,迫使医生摘除移植体。


更多的临床试验即将开展。明年,心脏外科医生们计划将由iPSC分化形成的心肌细胞组织移植到3名心脏病患者的心脏中,Takahashi博士计划在2022年之前再治疗6位PD患者。这些研究都处于临床试验的最早期。“现在对我们的临床试验做出任何判断都为时过早。”Takahashi博士说。


在有些研究人员等待临床试验的结果来验证iPSC是否具有再生疗法潜力的同时,另外一些学者正在大幅度推动临床前研究,开发出更多使用它们治疗疾病的方法。例如,加州大学洛杉矶分校的干细胞生物学家April Pyle博士最近开发出一种可能用于治疗杜氏肌营养不良症(DMD)的疗法。这是一种由于编码抗肌萎缩蛋白的基因出现变异而导致的严重疾病。她和她的同事使用CRISPR-Cas9技术在人类iPSC中修复了产生突变的基因,然后将它们分化成为骨骼肌细胞,并且将这些细胞注射到抗肌萎缩蛋白缺失的小鼠肌肉中。“我们能够在肌肉的局部区域恢复抗肌萎缩蛋白的表达。”她解释道。


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▲April Pyle博士(图片来源:April Pyle实验室官网)


“我认为这才是开始,”Pyle博士说:“我觉得我们终于将要看到以前辛勤工作带来的成果,在这些最初的临床试验之后将会有许多后续的临床试验。”


克服进入临床研究面对的挑战


如今,研究人员已经找出将iPSC诱导分化成为大多数已知细胞类型的方法。但是让这些细胞能够在新的组织环境中承担成熟细胞的功能是需要克服的另一个问题。例如在心脏中,研究人员发现新的干细胞需要与其它细胞在电生理特征方面达成一致。在细胞培养环境下对人类iPSC分化的心肌细胞的研究表明,对这些细胞进行电刺激,让它们在发育的过程中产生收缩,会让细胞更快成熟,意味着它们可能更能够承担在体内需要面对的工作量。


如何整合新细胞,让它们能够在受伤或疾病组织中生存是另一个问题。“你需要一个特别的基质么?它是水溶胶,还是一个补丁,还是一个类器官?如何能够让这些细胞长期生存?”Rehman博士问道:“这是我们在所有器官中都会遇到的挑战。”


研究人员已经在使用猴子模型来评估移植过程的效率,Takahashi博士解释道。去年,他的团队证明,在猴子模型中,人类iPSC分化的多巴胺能神经元能够稳定地整合到已有的大脑组织中,这些细胞能够生成多巴胺并且最终可以改善类似PD的症状


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另一个移植iPSC生成组织的挑战是这些细胞可能触发癌症的风险。这一风险一直存在,因为这些细胞是从增殖能力非常强的细胞中分化而来。为了预防这一风险,Takahashi博士和他的同事们对移植细胞进行严密筛选,过滤掉那些未分化,最可能过度增殖的细胞。同时他们会将这些细胞植入到小鼠身上,检测它们生成肿瘤的可能性。


然而,“我们无法完全消除肿瘤生成的可能性。” 庆应义塾大学(Keio University)的妇科教授Tetsuo Maruyama博士说。因此,他认为这些手术应该聚焦于非必需器官,,例如眼睛或者子宫。他最近成功地从iPSC中分化出健康的子宫细胞,计划用这些细胞来研究子宫内膜异位的机理,并且生成人类子宫内膜在临床使用。


另一个研究人员经常关注的问题是患者在接受由其它供体产生的iPSC时需要使用免疫抑制药物。例如,Takahashi博士的PD患者在长达一年的时间里需要使用免疫抑制药物,这可能让他们抵抗感染和癌症的能力下降。虽然存在这样的风险,很多研究人员仍然选择使用同种异体的干细胞,主要原因是这一策略在扩大化生产时可以节省时间、成本、和人力。


“即用”型iPSC的优势


开发“即用”型iPSC疗法对学术界和工业界都具有很大的吸引力。例如,澳大利亚的生物技术公司Cynata Therapeutics最近完成了一项1期临床研究,使用iPSC分化生成的间充质干细胞来治疗移植物抗宿主病(GVHD)。这种疾病在骨髓移植手术后发生,供体的免疫细胞认为受体细胞是外来物,并且对它们进行攻击,这往往会造成患者死亡。但是间充质干细胞可以分化成熟为一系列不同的细胞类型,抑制供体T细胞的增殖和激活,Cynata公司的产品开发副总裁Kilian Kelly博士说。


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这项临床试验中,间充质干细胞通过静脉注射到15名GVHD患者体内,这些患者对类固醇疗法没有响应,预后情况非常糟糕。虽然现在评估疗效还为时过早,但是Kelly博士表示,他很高兴看到其中14名患者的病情得到了显著改善,这是一个好兆头。更便捷的是,免疫排斥对间充质干细胞来说不是一个问题,因为它们不表达触发免疫排斥的特异性抗原。“这意味着我们可以使用从单一iPSC库中获取的细胞来治疗几乎所有人。”Kelly博士说。


这也是多个机构在开发可以用来大规模开发再生疗法的iPSC细胞库的原因之一。例如,日本政府决定投资2.5亿美元来开发iPSC库存,帮助生物医学研究。捐献这些细胞的志愿者经过精心筛选,包括了不同种类的常见人类白细胞抗原(HLA)类型。这样,这些细胞和人群中的大多数人都具有免疫相容性。在进行移植时,患者可能只需要少量的免疫抑制。这是在使用患者特异性细胞和从随机供体中获得的细胞之间的折中方案。


综合来看,这些细胞能够与日本人口中70%的人群免疫相容。对于像美国这样的遗传背景复杂的国家来说可能更为困难,但是研究人员已经开始向这个方向努力。一家位于威斯康辛的名叫Fujifilm Cellular Dynamics的公司正在试图开发一个iPSC细胞库,它可以与大部分美国人口相匹配。


在这些努力继续进行的同时,世界各地的研究人员仍在研究将这些细胞应用于临床的细节。“我们离临床应用越接近,对需要解决的挑战的认知就越清晰,”Rehman博士说:“我认为这是科学发现非常正常的过程。” 

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