干细胞疗法的未来——平衡安全性和有效性-杭吉干细胞科技

我们对干细胞疗法的安全性和有效性了解多少？造血干细胞（骨髓移植治疗白血病等疾病）发现50多年，人类胚胎干细胞（hESC）发现20多年，诱导多能干细胞发现15年（iPS细胞）。现在全世界的诊所正在进行数以千计的干细胞试验。

尽管有这些经验，但我们对干细胞疗法的安全性和有效性究竟了解多少？

干细胞疗法和安全实践

在本文中：

干细胞疗法的安全性和有效性问题
不同的干细胞疗法如何对抗这些关键因素？
直接细胞重编程以获得最高的安全性和有效性

干细胞疗法的安全性和有效性问题

在这个新颖且日益复杂的干细胞领域，这也许是一个及时的问题，特别是因为为传统药物设计的监管评估标准并不直接适用于干细胞治疗。

细胞疗法中的致瘤性

致瘤性是干细胞疗法的主要关注点。递送具有无限更新潜力和分化成任何人类细胞类型的能力的细胞具有与任何其他类型的治疗无关的安全性问题。对于hESC和iPS细胞来说，这是一个重要且广为接受的问题，因为越来越多的证据表明它们的衍生物具有相似的致瘤风险。甚至一度被认为安全的源自自体iPS细胞的细胞最近也开始引起关注。使用自体iPS细胞衍生的RPE的临床试验（视网膜色素上皮细胞）在只有一个人接受治疗后于2015年停止。当实验室准备治疗第二名试验参与者时，在患者的iPS细胞和源自它们的RPE细胞中检测到两个小的遗传变化。

免疫反应的问题越来越多

免疫原性是一个日益受到关注的问题，并且由于现有的科学证据仍然是出了名的矛盾，因此仍有待充分阐明。尽管有一些治疗性干细胞（例如间充质干细胞 (MSC)）的免疫特权状态的报告（Drukker和 Benvenisty，2004年），但任何引入患者体内的外来细胞都会受到免疫监视（Swijnenburg等人，2008年） ) 并会触发免疫反应。同种异体细胞的免疫原性众所周知，但越来越多的证据表明，即使是来自 hESC和iPS细胞及其衍生物的自体和同源细胞移植也具有显着程度的免疫原性（Gao等人，2016年）。

免疫抑制：试图应对免疫原性会导致重大健康风险

许多人提倡使用免疫抑制来绕过所有同种异体干细胞移植的免疫排斥反应，但这开始在医学上受到质疑。长期免疫抑制不是一种选择，因为其固有的不良副作用甚至可能导致死亡；此外，已经因潜在疾病/损伤或衰老而变得虚弱的患者可能会因长期服用免疫抑制剂而出现严重的健康问题（感染）。

对细胞疗法治疗的负面反应

对于多能细胞衍生的植入物，在植入hESC或iPS细胞或其功能相关的具有已知肿瘤发生倾向的衍生物的同时抑制接受者的免疫系统会使患者面临不可接受的风险水平，因为抑制的免疫系统无法有效对抗肿瘤。最后，与免疫原性相关的安全问题可能只允许患者在其一生中安全地注射一次同种异体细胞，因为有证据表明重复给予同种异体细胞可能会导致针对细胞的强烈免疫反应甚至过敏反应。

同种异体干细胞问题

免疫原性和致瘤性通过“不利”平衡紧密相关。这是同种异体干细胞的基本安全问题。另一方面，通过自体干细胞治疗，患者的免疫系统保持完好，并保留了抗击肿瘤的能力，使自体干细胞治疗更加安全。

不适当的区分

不适当的分化是干细胞来源与移植目标组织或器官不同谱系的一个问题。例如，植入另一个组织或器官（如心脏或大脑）的 MSC（可分化为骨骼、软骨、肌肉和脂肪细胞）具有长成骨骼、软骨和/或脂肪组织的风险。在一个已发表的案例中，一位在眼睛周围注射了 MSCs 的女性最终在她的眼睑内长出了骨组织。

植入细胞的功效问题

效力或功效来自植入干细胞的细胞替代（“种子”效应）和旁分泌（“旁观者”或“肥料”效应）效应。重要的是要注意，旁观者效应仅能为宿主现有细胞提供生长因子、细胞因子和其他旁分泌效应。在重要组织已被破坏或无法修复的情况下，旁分泌功能将仅产生有限的作用或没有作用，并且只有可以移植和替代细胞的干细胞才能使组织再生并恢复功能。

旁分泌信号的问题

器官特异性对于安全有效的组织再生越来越重要，只有自体器官特异性干细胞才能确保。即使是器官特异性同种异体干细胞也会带来重大的安全问题，需要权衡其仅局限于旁观者效应的功效。

虽然来自不同器官的自体干细胞在许多情况下可能是安全的，但它们通过旁分泌信号（包括生长因子和细胞因子分泌）的功效将仅限于非特异性旁观者效应。旁分泌效应特定于源组织/器官（如骨髓），而不是它们被植入的器官。因此，通用供体和现成产品（同种异体非器官特异性）的希望将极难实现。

由于以自体方式获取器官特异性干细胞有其局限性，特别是对于中枢神经系统，直接重编程体细胞是产生自体器官特异性干细胞的最佳方法。

不同的干细胞疗法如何对抗这些关键因素？

对hESC和iPSC及其后代的更多了解正在挑战将它们转化为可行的干细胞疗法的可能性。同样，MSCs已将其治疗承诺扩展到其自身的自然能力之外，事实证明，这些目标不仅雄心勃勃，而且往往不切实际，类似于期望肝脏移植能够像肾移植对失败的肾脏一样起作用。

hESC及其后代：免疫原性和致瘤性

人们早就知道hESC及其后代具有形成肿瘤/畸胎瘤的风险以及高免疫原性。在Robertson等人的一项重要研究中，一组基因相同的小鼠胚胎干细胞仅在确定的基因位点与受体小鼠不同，即使只有一个MHCI类基因不同，也会产生强烈的免疫反应和排斥反应，并且排斥速度仅比完全同种异体胚胎干细胞稍慢。

因此，似乎几乎不可能创建不会被受体患者排斥的通用干细胞库（即使具有所有 MHC 类抗原的组合）（Robertson 等人，2007 年）。

iPS细胞及其后代：致瘤性和免疫原性，即使是自体的

令人惊讶且可能不太明显的是，越来越多的证据表明自体（和同源）iPS 细胞及其衍生物具有免疫原性。“与 iPS 细胞及其后代相关的免疫原性似乎与某些基因的异位表达有关，这些基因编码最能描述为‘发育抗原’的东西。”

多能性与基因表达模式相关，这种模式通常在植入后不久就会丢失，一旦胸腺器官发生在个体发育后期发生，就排除了相关基因产物参与T 细胞库的选择和免疫耐受的诱导”（Fairchild等人，2016年）。

例如，赵等人确定了9个这样的基因，它们满足在重编程为多能性时被强烈上调的标准，但在随后的体外分化时未能被适当沉默（Zhao等人，2011年）。

iPS细胞失去潜能

高等进一步发现，iPS细胞及其衍生物失去了起源记忆，不再被宿主免疫系统完全识别为自我（Gao等人，2016年）。因此身体不再将这些细胞识别为“自体”，表明可能无法像最初希望的那样通过iPS细胞途径生产自体细胞。

间充质干细胞：更安全……但功效如何？

与多能细胞（ESC和iPSC）及其后代相比，收获的MSC具有有限的增殖和分化潜力，被认为是“安全的”，因为它们很难在体内形成肿瘤（Goldring等人，2011年）。最初被视为干细胞治疗的潜在现成产品，越来越多的证据表明MSC具有固有的免疫原性，因此会受到接受者的免疫排斥。

主要组织相容性复合体 (MHC) I类和II类分子在MSC中表达，尽管表达很弱，这使得它们的免疫原性可能低于hESC和iPS细胞（Gebler等人，2012年），但它们仍然具有免疫原性。

间充质干细胞替换自身谱系中的组织

在一个已发表的案例中，Thangakunam等人。发现重复注射相同的 MSCs会导致患者发生过敏性休克。MSCs并没有为所有身体功能做好功能准备，尽管人们普遍认为，MSCs只能替代它们自身谱系的组织：骨骼、软骨和脂肪。

这种组织替换和修复要求MSCs是自体的（患者自己的细胞），而不是同种异体的（捐赠者的细胞）；如果细胞是同种异体的，那么它们只会为有限的先天再生提供营养性旁分泌支持（“旁观者”效应），直到细胞被患者的免疫系统破坏。

间充质干细胞分化的局限性

MSC没有能力替代其他器官（例如大脑、肝脏或心脏）中的细胞，其中细胞来源于其他谱系，甚至这些器官中的旁观者旁分泌效应也很有限，因为它不是那些器官特有的。普遍缺乏对这一特征的认识导致了混淆，例如，MSC 已被植入许多不相关的组织（例如大脑）中，预期的有益效果令人失望。

（如上所述，这种方法也可能是有害的，例如在接受MSCs注射的患者眼部区域开始在眼睑内生长骨骼的情况下）。

直接细胞重编程以获得最高的安全性和有效性

通过直接重编程产生的自体多能干细胞可能代表第一个安全且功能齐全的治疗性干细胞 ( Gao et al., 2016 )。高等。描述的“诱导多能性”及其相关的发育基因表达谱构成了“自体”iPSC 和直接重编程的自体干细胞之间免疫原性和致瘤性的主要差异。

致瘤性和免疫原性的可能性低

通过直接重编程技术产生的自体多能干细胞没有形成肿瘤的倾向，也不会刺激免疫系统。因此，可以将这种自体重编程细胞多次注射到患者体内，从而实现可能完全再生目标组织或器官的治疗方案。由于是自体的，它们不需要免疫抑制。

指导细胞分化

此外，多能干细胞的分化潜能仅限于它们自身的特定谱系：神经干细胞只能通过分化为星形胶质细胞、少突胶质细胞和神经元来形成神经组织。直接重新编程的过程赋予了为正确的器官和组织量身定制干细胞的能力。

这些多能干细胞是为正确的器官而制造的，具有通过细胞置换（“种子”效应）和旁分泌或旁观者（“肥料”效应）效应再生的能力。

直接重编程的重要性

自体器官特异性干细胞是许多科学家最初希望能够产生显着治疗效果甚至治愈的干细胞。许多人将希望寄托在iPS细胞及其产生自体器官特异性干细胞的潜在能力上，10年后，iPS细胞作为研究主力找到了自己的位置，但并未进入干细胞治疗领域。

由于有限的MSC衍生产品通过了临床试验，以及与胎儿和胚胎细胞相关的伦理和免疫原性问题，干细胞科学家现在正转向直接重编程作为生产自体器官特异性治疗性干细胞的一种方式。