个性化医疗和诱导多能干细胞治疗帕金森病

一、简介

尽管进行了几个世纪的研究，但神经退行性疾病在老龄化世界中继续造成越来越大的身体和经济负担。这些疾病包括帕金森病 (PD)、阿尔茨海默病 (AD)、肌萎缩侧索硬化 (ALS)、巴顿病和亨廷顿舞蹈病等。自发现以来，神经退行性疾病已通过尸检和体检在临床上得到鉴定。蛋白质聚集体的形成、局部神经元死亡和进行性症状都是神经变性的典型表现；然而，由于遗传学领域的最新进展，我们对这些疾病的发病机制和病因学的了解得到了重建。在再生医学的推动下，图1)。

随着细胞重编程的进步，诱导多能干细胞为PD中发现的局部神经变性的细胞治疗提供了最大的潜力。由于iPSCs患者的特异性，移植后免疫反应的可能性可以显着降低。

迄今为止，已有170项临床试验采用间充质干细胞 (MSC)、神经祖细胞干细胞 (NPC) 和骨髓来源的单核细胞 (BM-MNC) 来缓解阿尔茨海默氏病 (AD)、帕金森氏病 ( PD)、亨廷顿病 (HD)、肌萎缩侧索硬化 (ALS)、多发性硬化 (MS)、脊髓损伤 (SCI) 和脑缺血 (BI)。

二、帕金森病的病理

帕金森病的主要病理改变为黑质多巴胺能神经元变性死亡，但为何会引起黑质多巴胺能神经元变性死亡的病因及发病机制尚未完全明了。

帕金森病的发病因素有以下几个方面：遗传因素，到目前至少发现17个单基因是家族性帕金森病连锁的基因位点，另一些尚未克隆的基因还有待于进一步研究，目前认为约10%的患者有家族史，绝大多数为散发性。

除基因突变导致少数患者发病外，基因易感性可使患病几率增加，但并不一定发病，只有在环境因素、神经系统老化等因素的共同作用下，通过氧化应激、蛋白酶体功能障碍、炎性免疫反应等途径导致发病。帕金森，确切原因目前不清楚，考虑是跟家族遗传有关系。

在这里，我们检查导致我们目前对PD的理解的发现，并提出诱导多能干细胞移植作为最可行的帕金森疾病缓解疗法之一。

三、帕金森研究的重大基因发现

2018年，至少发现了5个主要的常染色体显性基因、5个常染色体隐性或X连锁因子和11个与帕金森样症状相关的其他疾病的单基因突变。其中最值得注意的是富含亮氨酸重复激酶2 ( LRRK2 ) 的突变和多态性，这是一种在神经元存活中发挥作用的基因，以及编码一种称为α-突触核蛋白的蛋白质的SNCA基因 (表格1) 。

PD继承	疾病，（突变）	基因、位置	基因功能	表型
常染色体显性	PARK-SNCA，（A53T，重复，三次）	SNCA , 4q22-1	SNCA基因编码广泛表达于神经元突触前末梢的α-突触核蛋白。α-突触核蛋白维持参与神经元通讯的囊泡的产生。α-突触核蛋白也被认为在自愿和非自愿运动通路的多巴胺表达中发挥作用。	早发性 PD。SNpc 内的神经变性和整个大脑的路易体形成。
	PARK-LRRK2 , ( G0219s , R1441C )	LRRK2 , 12q12	编码富含亮氨酸的重复激酶 2 蛋白，在神经元的细胞质和线粒体膜中表达。LRRK2大量参与分子的泛素化，导致它们的降解。PD 中的确切功能尚不清楚，但它被认为可以协调中脑中的神经元存活和分化。	具有混合神经病理学的迟发性 PD。一些病例在 SN 中出现路易体形成和 DAn 死亡，其他病例则没有路易体形成。
常染色体隐性	PARK-DJ1 , ( Q456X , V170G )	DJ-1 , 1p36.23	编码在大脑和全身其他组织中发现的蛋白质DJ-1。DJ-1是一种多功能蛋白，其作用涉及预防 α-突触核蛋白聚集、氧化应激条件下的神经元保护、转录调节和金属诱导的细胞毒性预防。这些功能的全部或部分可能与某些类型的早期PD形成有关。	尚未报告确凿的数据。
	PARK-PINK1，（外显子 7 缺失）	粉红1 , 1p36.12	位于线粒体内的蛋白质PTEN诱导的推定激酶1的代码。PINK1通过使 parkin 蛋白与去极化的线粒体结合并诱导自噬，在细胞应激期间表现出线粒体的保护功能。	早发性PD伴有路易体形成和SNpc中的急性DAn丢失。
遗传危险因素	戈谢病 ( L444P , N370S )	大湾区, 1q22	编码在溶酶体和细胞膜中具有活性的酶。β-葡糖脑苷脂酶是一种管家酶，可将葡糖脑苷脂的 β-糖苷键水解为葡萄糖和神经酰胺。突变导致巨噬细胞中葡萄糖脑苷脂的积累。	除了肝功能衰竭、骨损伤和低血细胞计数外，还有严重的神经系统并发症。

四、遗传性帕金森病的定制疗法

PD背后的病理学涉及导致类似症状的多个系统和神经递质的功能障碍。然而，患者对左旋多巴治疗的高度可变和集中反应表明，不同的退化生化机制可能需要不同的治疗方法。这些差异包括运动反应的变化、运动障碍、精神病发作、睡眠障碍和视觉幻觉。

个性化医疗方法为患有特定PD亚群的患者提供更有效的临床治疗和额外的益处。在讨论医疗干预时，个性化医疗与精准医疗被广泛混为一谈，我们将交替使用这两者来考虑针对给定PD患者亚群的靶向治疗，以及从整体上接近他们的病情。

特定遗传因素的影响可以解释个体药物反应的一些差异。遗传差异在药物摄取的代谢途径中起着重要作用，这可能会影响对治疗的反应。尽管PD的大部分遗传性尚未得到解释，但药物基因组学领域试图研究遗传学对药物力学的影响——特别是多巴胺转运蛋白、受体和对PD多巴胺加工至关重要的酶之间的相互作用。

家族性LRRK2PD患者可以使用LRRK2抑制剂治疗，制药公司已于今年早些时候开始临床试验 (ID：NCT03710707）。相反，特定的药物治疗方案会增加特定基因型的风险。多巴胺活性转运蛋白1基因 ( DAT1 ) 多态性的那些人，该基因参与化学突触中多巴胺的再摄取，当用左旋多巴治疗时，发生运动障碍的可能性增加2.5倍，同时显示DAT1的不同点突变增加使用多巴胺能药物治疗时出现幻觉的风险。遗传因素也受治疗性别的影响。多巴胺受体D2 (DRD2) 是一种多巴胺能受体亚型，多态性可保护左旋多巴诱导的男性运动障碍，但对女性没有保护作用。

遗传差异也可能受到表观遗传因素的影响。将来，临床医生还可以根据个体的生理进展而不是症状的严重程度来个性化治疗方式。研究人员正在开发α-突触核蛋白示踪剂以检查体内α-突触核蛋白形成的定位和严重程度，但是，目前尚无此技术。虽然基于特定亚型的个性化医疗的实施为患者带来了许多好处，但由于 PD的进展性和动态性，治疗方式可能需要不断修改。

最终，PD的个性化治疗体现了年龄、生活方式、基因型、性格和其他并发疾病的整体跨度。这种策略相对较新，理想情况下取决于多学科团队，以确保在执行给定的治疗计划之前考虑所有患者的特定需求。

五、多能干细胞

hESC和iPSC都具有独特的品质，这使它们成为研究PD发展的理想候选者。可以定制干细胞以分化成多种细胞命运，包括在细胞水平上模拟PD的SNpc的DAn。诱导干细胞也是患者特异性的，为表型相似状态下的 PD突变和多态性风险因素的个体贡献打开了一扇窗。DAn寿命也可以与其他iPSC神经元（如皮质和嗅觉神经元）进行比较，以探测SNpc中DAns的超敏反应。此外，TALEN、CRIPSR和其他基因重编程技术的出现已应用于iPSC患者系并得到广泛审查。然后可以检查校正后的突变系。获得高比例的功能齐全、成熟的腹侧中脑DAn可能非常具有挑战性，而且扩大规模成本高昂。iPSC治疗的技术障碍和伦理障碍可能会限制移植重编程干细胞的可行性，但PD治疗的这种机会是前所未有的。

首个从iPSC来源移植DAns的人体临床试验于今年在日本开始（ID：UMIN000033564）。

六、诱导多能干细胞作为帕金森病的细胞疗法

iPSC的有效性也已作为实现这种疾病改变治疗的方法进行了检验。干细胞已被用于许多涉及神经损伤的试验中。第一次发生在2010年，一项使用hESC治疗脊髓损伤 (SCI) 的临床试验。

从那时起，干细胞衍生产品已用于其他动物和人体试验，用于治疗神经疾病，范围从年龄相关性黄斑变性 (AMD) 的阳性结果到AD的不良结果。这些试验产生了好坏参半的结果——在某些情况下，由于细胞和大体解剖差异，突出了模型生物体在预测人类神经变性治疗疗效方面的局限性。

由于相对局部的神经变性，PD也是细胞疗法的良好候选者。1987年，腹侧中脑的胎儿组织被植入PD患者体内，试验结果显示，在某些情况下，即使在植入后20年，细胞仍能存活和DAn功能。如上所述，每位患者采集4-10个胚胎的伦理学和保存后细胞存活的局限性阻碍了胎儿细胞移植作为全国范围内可行的细胞治疗形式。

hESC也被用于2017年的中国PD试验，但在没有确凿数据的情况下推测其有效性还为时过早。尽管hESC植入可能会产生有希望的结果，但必须使用强免疫抑制剂来确保移植物被接受。所有重编程细胞移植的安全性至关重要。在进行移植试验时，必须采取预防措施以防止感染、移植物引起的运动障碍和肿瘤发生。尽管细胞移植总是会带来一些风险，但iPSC的优势为PD的细胞治疗提供了一个可行的未来。这些相关的基于细胞的疗法的历史可以在图2。

从1987年开始，胎儿腹侧中脑 (VM) 组织被用作第一个使用细胞治疗PD的临床试验的细胞来源。近年来，人类胚胎干细胞 (hESC) 被用于许多涉及神经变性的临床试验。hESCs的使用在脊髓损伤 (SCI)、年龄相关性黄斑变性 (AMD) 以及心脏细胞损伤方面显示出特殊的前景。2018年夏天，临床医生开始进行首次使用诱导多能干细胞 (iPSC) 作为细胞来源治疗PD的人体试验。该试验将在两年内跟踪7名患者。这些试验的结果在文中有详细说明。

第一个优势是可以在不牺牲人类胚胎的情况下建立iPSC细胞系，消除了人类干细胞治疗的一大伦理障碍。iPSC 还允许在患者特异性治疗中匹配人类白细胞抗原 (HLA)，从而有效降低术后免疫抑制剂的严重程度。在灵长类动物研究中，组织相容性还显示淋巴细胞和小胶质细胞的免疫反应降低，以及在DAns的iPSC移植中细胞存活率增加。iPS去分化和重编程可能耗时较长，给患者带来高成本负担，但减少免疫排斥反应和通用供体系可在扩大规模时显着降低成本。患者特异性iPSC移植所需的步骤概述于图3。

在日本，研究人员估计，通过匹配三个HLA基因座（A、B和DR），来自HLA纯合子供体的50个iPS细胞系将​​覆盖73%的日本人口。灵长类动物研究已经证明，在将人类iPSC移植到PD的非人类灵长类动物模型中两年后，情况有了显着改善。这些移植到非人类灵长类动物中的人类iPSC起到了中脑DAns的作用，并改善了得分运动。同样，在非人类灵长类动物模型中对iPSC移植物进行的尸检分析显示，其生长、增殖和整合到现有神经网络中的能力很强。灵长类动物移植也已通过临床级人类ESC实现，并且未显示明显的肿瘤形成，以及显着的运动恢复。然而，在不久的将来，将确定用iPSC移植物治疗人类PD的临床疗效。

首先，成纤维细胞是从患有家族性PD的患者身上获得的。研究人员表达主要的重编程转录因子以建立突变的iPSC细胞系。使用ZNF/TALEN或CRISPR/Cas9技术，纠正显着突变，然后在无异源条件下将细胞系分化为成熟或祖细胞DA神经元。经过充分的质量保证后，分化的细胞即可用于临床试验。

灵长类动物和人类研究之间的主要区别将是实际PD患者的治疗，而不是化学诱导的灵长类动物模型。由 Takahashi 领导的团队宣布了第一个iPSC生成的DAn移植治疗PD的人体临床试验。

该试验于2018年8月1日在京都大学医院开始。细胞将来自具有匹配HLA位点的第三方供体，以确保遗传完整性并消除患者的遗传干扰。在大鼠模型中进行了额外的测试以确认疗效。然而，由于该试验的探索性，患者仍将接受免疫抑制剂治疗。大约500万个细胞将通过颅骨上的两个钻孔注入SNpc。已选择7名中度PD患者进行试验，这些患者在神经变性早期接受细胞治疗，但也存在更大的实验风险，将接受两年随访。临床医生将监测疾病的进展，以及SNpc中多巴胺过多会导致不自主运动的其他副作用。虽然围绕iPSC和基因工程的许多问题和伦理问题仍然存在，但PD的未来看起来很有希望。然而，iPSC治疗PD可能不会完全恢复功能，应在其他治疗方案的背景下进行检查。

八、结论

即使是SNpc中7800个DAns的一小群丢失也可能导致PD患者严重虚弱。尽管细胞死亡可能由多种假设机制引起，但最终神经元存活对于正常的运动和认知功能是不可或缺的。由于目前没有从严重细胞死亡中恢复的疗法，iPSC提供了一种可能恢复无病状态的替代途径。相反，不易患PD的患者特异性细胞可能会被移植回SNpc，恢复功能的雄心终于触手可及。程序性细胞死亡并不只影响PD患者。然而，与其他形式的神经变性相比，iPSC疗法更适合PD，因为PD神经元死亡相对局限。

因此，细胞疗法可以，比对抗更弥漫和更广泛的退化（例如ALS或AD）所需的目标和侵入性更小。正如之前在动物和灵长类动物模型中所显示的那样，患者特异性细胞疗法与个性化药物遗传学相结合，可能为减轻人类帕金森病严重的神经退行性变提供了途径。

参考资料：Stoddard-Bennett T, Reijo Pera R. Treatment of Parkinson’s Disease through Personalized Medicine and Induced Pluripotent Stem Cells. Cells. 2019 Jan 7;8(1):26. doi: 10.3390/cells8010026. PMID: 30621042; PMCID: PMC6357081.

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