如何进一步推进治疗神经退行性疾病的细胞产品开发？

概述：基于细胞的疗法正在开发用于治疗影响中枢神经系统（CNS）的各种神经退行性疾病。与此同时，遗传和单细胞研究正在揭示单个细胞类型在神经退行性病理学中的作用。随着人们对细胞对健康和疾病的贡献有了更深入的了解，以及有前景的调节方法的出现，有效的治疗性细胞产品正在出现。这篇综述探讨了从干细胞生成多种中枢神经系统细胞类型的能力，以及对细胞类型特异性功能和病理学的更深入了解，如何推动用于治疗神经退行性疾病的细胞产品的临床前开发。

介绍

“干细胞研究是开发治疗退行性疾病的关键，例如我和许多其他人都患有帕金森病和运动神经元病。”

史蒂芬·霍金

中枢神经系统（大脑、视网膜和脊髓）的神经退行性疾病影响所有年龄段。它们的范围包括从儿童时期损害白质的先天性脑白质营养不良到随着年龄增长而患病率增加的脑白质营养不良，例如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和年龄相关性黄斑变性（AMD）图1）。精神疾病可能具有退行性成分，例如精神分裂症，其特征是皮质灰质损失和患者加速衰老的迹象。一些神经退行性疾病很普遍，包括AD、AMD和PD，而其他疾病如亨廷顿病 (HD)、肌萎缩侧索硬化症 (ALS)、额颞叶痴呆 (FTD)、皮质基底综合征 (CBS)、多系统萎缩症 (MSA) 和进行性核上性麻痹（PSP）很少见。

这些疾病可能有遗传、环境或复杂的病因。许多神经退行性疾病会发展为痴呆症，预计到2050年，痴呆症将影响全球约1.5亿人，带来10万亿美元的经济负担, 并给患者及其家人带来难以估量的损失。尽管神经退行性疾病目前无法治愈，但对于某些人来说，可以通过治疗来缓解症状。帕金森病就是一个很好的例子，左旋多巴给药和深部脑刺激可以改善生活质量，尽管这些治疗不能解决潜在的疾病及其不可避免的进展。

患者所经历的症状主要与不同疾病中不同中枢神经系统区域发生的特定神经元和神经胶质细胞变性有关。

神经变性的特征是神经元的丧失，但通常涉及多种相互依存的细胞类型。一项具有里程碑意义的发现表明，渐冻人症是运动神经元缺陷和星形胶质细胞非细胞自主性 “杀伤 “的结果，而小胶质细胞的活化会加剧这种 “杀伤”。神经病理学家对神经退行性疾病所特有的多细胞和多系统参与进行了大量研究。

然而，通过最近的遗传和功能研究，我们现在可以前所未有地详细了解每个细胞角色的因果关系。多篇出色的综述介绍了特定神经退行性疾病的细胞疗法，包括帕金森病、ALS、视网膜变性和多发性硬化症（MS）。本综述采用以细胞类型为中心的方法，重点介绍一些正在开发中的主要细胞产品，并强调对细胞亚型和状态的进一步了解如何指导临床前工作，以评估其治疗神经退行性疾病的可行性。

开发用于临床的细胞产品

现在，我们能够从人类多能干细胞（hPSCs）中生成多种中枢神经系统细胞类型（图2）。

通过将产品与人类中枢神经系统组织（从胎儿期到成年期）进行比较并确定相似程度，可确认细胞生产成功。特别是单细胞和单核RNA测序（sc/nucRNA-seq）方法彻底改变了我们测试分化方案是否能产生真实细胞产品的能力。小分子和生长因子引导hPSCs产生区域模式的神经祖细胞（NPC），然后产生特定的神经祖细胞，包括前脑、视网膜、中脑、脊髓、和整个神经系统中受神经退行性疾病影响的主要细胞类型（图2）。

显示所应用的关键分子以及生成细胞产品所需的大致时间的概述。

开发用于临床的细胞产品应该注意哪些问题？

一般来说，与高度分化的细胞相比，不太成熟的细胞与宿主组织的整合和连接更好。这适用于例如多种神经细胞类型，例如多巴胺能神经元、少突胶质细胞、星形胶质细胞、和视网膜色素上皮(RPE)细胞。因此，在针对特定神经退行性适应症设计最佳细胞疗法时，考虑细胞阶段非常重要。

神经退行性疾病的细胞移植策略通常旨在实现细胞的长期存活。因此，免疫排斥是一个重要的考虑因素。

开发基于干细胞的产品的途径和标准（https://www.isscr.org/standards）正在完善，包括自体疗法。

必须遵循严格的监管指南，例如美国FDA发布的指南。在开发用于移植的细胞产品时，需要一个强大的、符合GMP的细胞制造工艺。

产生足够规模的临床产品是一个重要的考虑因素。尽管一些CNS产品已经在低剂量下进行了测试（例如每个视网膜50,000个细胞用于RPE 细胞），但其他产品需要每个患者数百万个细胞才能实现大量植入。此外，必须生产足够的产品，以便能够在临床前阶段进行动物试验，并为临床试验提供细胞。
用于治疗神经退行性疾病的细胞产品

01中脑多巴胺能神经元

在PD中，投射到纹状体的腹侧中脑 (VM) 黑质A9多巴胺能神经元退化，导致运动障碍。图1）。将人类胎儿VM神经元移植到纹状体中对部分PD患者显示出长期益处。这些开创性的研究还强调了定义移植物中细胞类型的重要性，因为污染的血清素能神经元可能会引发运动障碍，使不自主运动衰弱。使用hPSC可以解决与胎儿来源相关的采购问题，并能够大规模生产更一致的细胞产品。hPSC分化为VM细胞，产生富含A9的多巴胺能神经元，这些神经元在移植到动物体内后稳定且具有功能。

此外，移植细胞释放多巴胺的光遗传学控制调节了PD小鼠模型的运动改善，建立了移植功能。这项临床前工作带来了临床级制造和IND申请以支持人类胚胎干细胞 (hESC) 衍生的多巴胺能细胞作为PD治疗选择的临床试验 ( NCT04802733 )。

已经建立了几种方案，可产生基于多巴胺能神经元的移植物，可有效逆转包括非人类灵长类动物在内的动物模型中的帕金森病症状。一般来说，祖细胞比成熟的VM神经元产生更有效的移植物，但祖细胞的类型可能很重要。通过将一种细胞产物的移植前转录组与移植结果相关联，结果表明尾部VM的富集是有益的。定时暴露于FGF8b可增强尾部VM的产生，从而实现临床级工艺的开发。

在全球范围内，许多用于PD的细胞产品正处于或正在进行早期试验，包括自体方法。国际PD细胞移植界认识到合作的好处，分享信息和研究结果：http://www.gforce-pd.com/。

02前脑GABA能中间神经元

前脑GABA能中间神经元抑制兴奋性神经元活动并微调其输出。凭借这一有前景的治疗策略，hPSC衍生的MGE型GABA能中间神经元产品 (NRTX-1001) 最近进入了针对难治性颞叶癫痫患者的I/II期试验 ( NCT05135091)。其他几种具有神经退行性因素的疾病显示GABA 能中间神经元功能受损，包括精神分裂症和神经性疼痛。

此外，影响皮质的退行性疾病，例如AD和FTD，与癫痫样现象和兴奋性中毒有关，其中谷氨酸能神经元变得过度活跃并死亡。因此，在这些不同的疾病中，增加GABA能中间神经元功能可能具有治疗作用，并且临床试验NCT05135091的进展以及寻求增加抑制性神经元活性的类似即将进行的试验将受到密切关注。

03视网膜神经元和RPE

视网膜由神经视网膜和RPE细胞组成，RPE细胞是维持视网膜稳态、感光功能和视力的重要支持细胞。视网膜中央黄斑区的RPE细胞功能障碍和死亡是AMD的基础，AMD是导致老年人失明的主要原因。其他神经退行性疾病主要直接影响神经视网膜，包括导致感光细胞死亡的色素性视网膜炎，以及杀死视网膜神经节细胞（RGC）（视网膜和大脑之间唯一的神经连接）的青光眼。几种干细胞衍生的视网膜细胞产品正在开发中，以对抗视网膜变性（图3）。

正在进行的研究示例以及使用干细胞衍生的视网膜细胞产品（单细胞类型和多细胞移植物）替代功能障碍的视网膜细胞的一些挑战。

其他方法旨在用其他神经细胞类型或营养因子增强环境，以提高视网膜细胞的存活率。人类胎儿脑源性神经祖细胞产品CNS10-NPC正在测试用于视网膜色素变性患者的视网膜下注射 ( NCT04284293 )。JCyte已成功完成一项II期研究，将人类胎儿视网膜祖细胞注射到玻璃体中，释放营养因子以预防色素性视网膜炎患者的感光器变性（NCT03073733）。视网膜下注射表达神经营养因子的基因疗法可预防色素性视网膜炎患者视锥细胞死亡，目前正在进行临床试验（NCT05748873）。

正在进行的RPE替代临床试验使用hESCs、hiPSCs和成人尸体来源的RPE干细胞 （NCT04627428）作为起始细胞来源。目前主要有两种视网膜下移植产品类型：RPE细胞悬液或工程支架上的RPE单层细胞，后者可能是永久性的，也可能是可生物降解的。视网膜下空间的免疫特权可能会受到疾病和创伤的损害，因此必须对自体和异体方法进行比较。

总体而言，早期RPE移植试验表明该方法是安全的，并且对AMD患者有良好的疗效。

04星形胶质细胞

星形胶质细胞分布在整个中枢神经系统中并发挥多种关键作用。它们支持神经元、突触功能，调节大脑稳态、先天免疫、新陈代谢和血脑屏障 (BBB) 完整性。在疾病或损伤中，星形胶质细胞变得“反应性”，表现出复杂的形态和基因表达变化，以及分泌组和细胞间相互作用的改变，可能产生积极和消极的影响。

我们很早就认识到星形胶质细胞的异质性，这种异质性与其特定位置、形态、功能、年龄和疾病状态有关，并且通过最近的sc/nucRNA-seq分析得到增强。在神经退行性疾病中，它们可能具有有益的作用，例如清除病理性tau和α-突触核蛋白，但也有助于病理学，例如通过传播有毒分子。特定的星形胶质细胞表型可以用于疾病诊断，例如，PSP中具有tau病理学的簇状星形胶质细胞。对星形胶质细胞可以发挥有益作用的认识正在推动星形胶质细胞产品的开发，以治疗多种神经退行性疾病，包括ALS、PD、HD和AD。

在中枢神经系统发育过程中，星形胶质细胞起源于多能NPC和神经干细胞 (NSC)，例如大脑皮层中的放射状胶质细胞。NSC首先产生神经元，然后产生神经胶质祖细胞 (GCP)，从而产生星形胶质细胞和少突胶质细胞。源自胎儿人脑并注射到新生和成年小鼠体内的GCP在多种神经退行性疾病（如ALS和MS）模型中显示出广泛的星形胶质细胞整合并改善了结果。有趣的是，与类似的小鼠细胞相比，人类GPC及其衍生的星形胶质细胞支持增强的学习能力和可塑性，这表明人类星形胶质细胞具有更大的功能。

05小胶质细胞

小胶质细胞是中枢神经系统中的常驻巨噬细胞。它们迁移到发育早期的中枢神经系统中，在那里长寿并通过自我更新维持生命。小胶质细胞在中枢神经系统中瓦片状分布，形成一个庞大的网络，它能维持中枢神经系统的平衡，监视细胞碎片和感染性病原体，并参与反应和修复过程。

在神经退行性疾病中，小胶质细胞有益于碎片清除等过程，但也有助于病理学，例如通过传播异常tau或α-突触核蛋白。小胶质细胞受损可能是神经退行性疾病的基础，例如由CSF1受体 (CSF1R) 突变引起的成人脑白质营养不良，这对小胶质细胞的生存很重要。

正在推动通过操纵小胶质细胞治疗神经退行性疾病的方法（图4）。鉴于TREM2与ALS、PD和FTD等其他神经退行性疾病的关联，它可能被证明是一种有价值的多疾病治疗方法。但同时也要认识到，TREM2的增加可能是病态的，因此需要精心制定治疗方案。

对小胶质细胞对神经退行性病理学的贡献的更多了解导致了针对小胶质细胞功能的生物制剂以及使用小胶质细胞或巨噬细胞的细胞替代策略。

06神经干细胞

神经干细胞构建中枢神经系统，产生多种类型的神经元和神经胶质细胞，并且似乎非常适合用于多种细胞丢失的疾病的替代疗法。多项开创性的临床研究测试了人类胎儿源性神经干细胞的神经系统疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、脊髓损伤、AMD和AD。

• 神经干细胞移植在神经退行性疾病中的研究进展

2013年，一篇发表在国际期刊杂志《干细胞研究》上的一篇名为“Clinical translation of human neural stem cells”文献综述表明神经干细胞移植被证明是安全的，并有积极疗效的迹象。

转染表达GDNF的人胎儿源NSC系可改善ALS 、SOD1大鼠模型中的运动神经元存活率和动物寿命，并在早期临床试验中证明安全性 ( NCT05306457 )。细胞输送对于任何神经退行性疾病都是一个挑战。通常，直接细胞注射是设想的初始途径。多项研究表明，使用具有高α4β1整合素表达的NSC进行血管内给药可能是有效的，并且在ALS小鼠模型中证明了其具有大脑渗透性和改善的结果。

目前正在对干细胞衍生的多巴胺能神经元治疗帕金森病、RPE治疗老年性视网膜病变和GABA能中间神经元治疗癫痫进行积极的临床评估。这些领域的进展包括对细胞产品和移植结果进行更深入的表征。目标是更好地定义CQA生物标志物，并针对特定适应症生产改进或完善的产品。sc/nucRNA-seq等技术有利于这些临床前研究，而且在实施跨平台基准测试的帮助下，将来可能会被广泛应用于生产和发布标准中。

展望未来，我们预计神经退行性疾病的临床前研发管线将包括经过基因改造的细胞产品，使其具有弹性、减缓疾病进展、增强细胞功能或控制特定疾病适应症的细胞状态。

结论

通过对组织和干细胞衍生细胞进行深入表征，人们对单个脑细胞表型和状态的了解不断增加，这为神经细胞疗法的开发提供了指导。我们有充分的理由相信，在快速转化的过程中，以人类干细胞为基础的产品将产生改变疾病的疗法，改善目前无法治愈的神经退行性疾病患者的生活。

虽然存在挑战，但迄今为止取得的进展令我们感到鼓舞，史蒂芬-霍金最后的致辞也激励着我们要爱护我们的世界和未来：”要勇敢，要坚定，要克服困难。这是可以做到的”。

参考资料：Temple S. Advancing cell therapy for neurodegenerative diseases. Cell Stem Cell. 2023 May 4;30(5):512-529. doi: 10.1016/j.stem.2023.03.017. Epub 2023 Apr 20. PMID: 37084729; PMCID: PMC10201979.

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