干细胞外泌体与干细胞疗法的区别

干细胞疗法正被探索用于治疗各种疾病，包括血液病、免疫病、神经退行性疾病和组织损伤。另外，干细胞衍生的外泌体可能提供类似的临床益处，而没有与活细胞移植有关的生物安全问题。然而，大规模的制造和纯化，批次与批次之间的差异，以及对外泌体复杂载体的分析，将需要得到解决，以实现其临床转化。

干细胞，包括胚胎干（ES）细胞、诱导多能干（iPS）细胞和成人干细胞，具有自我更新和产生分化细胞的能力。它们分化成不同组织细胞的潜力使它们在再生医学中的应用特别有趣–例如，ES细胞衍生的心肌细胞移植对心肌再生很有希望。

然而，自从1957年开发出第一个使用干细胞的疗法以来，只有少数基于干细胞的疗法进入了临床。根据美国国立卫生研究院(NIH)的数据，已有数千项干细胞治疗相关的临床试验被注册。

目前，美国食品和药物管理局（FDA）批准的唯一干细胞疗法是造血干细胞移植，用于影响造血系统的疾病患者的造血和免疫学重建。此外，少数源自间间充质干细胞或组织特异性干细胞的干细胞产品已被批准用于临床，如加拿大批准用于治疗急性移植物抗宿主疾病的Prochymal，以及欧洲批准用于修复受伤角膜的Holoclar1。缺乏临床转化可能是由于干细胞疗法存在一些不可避免的缺点。干细胞的大直径可能会导致它们在静脉注射后积聚在肺部，从而产生输液毒性。此外，异体干细胞携带抗原，可能会引起免疫反应。

此外，干细胞注射可能会导致肿瘤并发症，包括血液学和非血液学恶性肿瘤（分别为畸胎瘤和非畸胎瘤）。 一些观察到的干细胞的有益作用可能部分是由于其旁分泌作用，而不是移植的干细胞的长期移植。

干细胞来源的外泌体

干细胞，就像人体中的所有其他细胞一样，释放外泌体以相互交流。外泌体是膜结合的囊泡，直径约为40-160nm，通过内体途径从细胞中释放出来。外泌体以核酸、蛋白质、脂质和代谢物形式存在的多种成分，不仅反映了它们的细胞来源，而且赋予它们潜在的治疗功能，类似于它们的供体细胞，可用于无细胞疗法。因此，临床前探索了干细胞衍生的外泌体的治疗应用。

至少有150项临床试验已在ClinicalTrials.gov上注册，研究各种疾病的基于外泌体的疗法，包括呼吸系统疾病、传染病和癌症（在 www.clinicaltrials.gov 上使用“外泌体疗法”作为关键字搜索）。

在这些试验中，31项应用了源自干细胞的外泌体，主要是来自不同组织的间充质干细胞，这些试验被测试为间充质干细胞疗法的替代方案。这些临床前和临床研究表明，干细胞释放的外泌体可能部分重现其供体细胞的治疗效果，而没有干细胞治疗固有的缺点（表1）。

治疗	临床试验数量	优点	缺点
外泌体疗法	158项研究	小尺寸 免疫反应和肿瘤形成的风险最小 稳定，可长期储存和运输 没有道德问题 多条送货路线 可以被设计用来运送药物载体	难以大规模制造和提纯 批次间差异 没有兼容的GMP设施 没有既定的法规和标准
干细胞疗法	7,018项研究	易于隔离和大规模扩展 多向分化潜能 长期植入 广泛的临床前和临床研究结果 完善的FDA指南	肿瘤并发症 融合毒性 免疫原性 严酷的储运条件 伦理道德问题

与干细胞不同，外泌体不能自我复制，从而消除了对干细胞移植后可能形成肿瘤的担忧。外泌体也足够稳定，可以长期冷冻保存和冻干后室温保存。它们的小尺寸进一步允许通过过滤进行灭菌。此外，外泌体可以通过多种途径给药；例如，雾化或冻干的肺干细胞来源的外泌体可以通过吸入给药来治疗肺部疾病。

此外，它们的亲水腔和含有膜蛋白的磷脂双层可以被设计和修饰以展示分子或用于药物装载；肺干细胞衍生的外泌体最近装饰有重组 SARS-CoV-2的受体结合域，作为可吸入的COVID-19疫苗7。

2020年，Codiak Biosciences启动了第一个工程化外泌体疗法（exoSTING ）临床试验（ NCT04592484 ），用于治疗多种实体瘤，表明工程化外泌体可能是干细胞来源外泌体治疗应用的未来方向。

干细胞来源的外泌体的临床转化

干细胞和外泌体治疗的市场前景看好。根据全球市场报告，全球干细胞市场预计到2030年将达到316亿美元，全球外泌体市场预计到2030年将达到10.3亿美元。美国国立卫生研究院于2017年发布了美国国立卫生研究院人类干细胞研究指南2009年，主要包括人类ES和iPS细胞的监管标准和伦理问题。

此外，一些国际协会，包括国际干细胞研究学会和国际细胞外囊泡学会，已经提出了解决干细胞和外泌体研究中存在分歧的问题的指南。这些指南为干细胞和外泌体研究提供了资源；然而，关于它们的临床转化和制造的全球共识仍然难以捉摸。值得注意的是，FDA不得不发布几项关于干细胞和外泌体产品的公共安全通知。

因此，需要针对干细胞和外泌体治疗制定全面的标准和法规。令人鼓舞的是，第一个干细胞相关国际标准（ISO 24603）于2022年8月发布，外泌体研究也可参考该标准，以标准化外泌体生产的上游步骤，用于外泌体治疗。

干细胞和外泌体疗法的临床转化有赖于在良好生产规范（GMP）设施中大规模制造干细胞和外泌体。HPC移植和嵌合抗原受体（CAR）-T细胞的发展促进了细胞治疗产品的GMP设施的建立。然而，用于生成、分离和质量控制外泌体的GMP设施仍然有限。用于实验室规模分离外泌体的烧瓶式培养系统和超速离心法速度慢、费力，而且不适合大规模制造GMP级外泌体。另外，目前正在探索生物反应器系统和中空纤维膜，分别用于细胞培养和过滤，以便大规模生产外泌体。

此外，需要彻底的质量控制，以尽量减少外泌体的批次间差异。因此，需要能够准确和可重复地表征外泌体的方法，包括浓度、颗粒大小、Zeta电位和外泌体标记物。ZetaView、Amnis、ImageStream和ONI Nanoimager等仪器能够对外泌体的理化性质进行表征，并可能取代传统的方法，如纳米粒子追踪分析、动态光散射、蛋白质印迹和流式细胞仪。外泌体质量控制还应该考虑外泌体的异质性，它受到供体细胞状态和分离方法的影响。

因此，需要有标准化的操作程序，这可以基于腺相关病毒的制造，这与外泌体的生产和纯化类似。应建立一个精简的封闭式操作系统，将外泌体的大规模制造与可归档的质量控制测试程序相结合。这样一个数字化和自动化的系统可以通过减少人工操作和实施批次统一来进一步降低外泌体产品的成本。

参考资料：Zhang, K., Cheng, K. 干细胞衍生的外泌体与干细胞疗法。 Nat Rev Bioeng (2023)。https://doi.org/10.1038/s44222-023-00064-2

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