誰持彩練當空舞 :幹細胞基礎與臨床研究進展

正文  

幹細胞技術在不斷地發展，科學家們不斷取得新成果。了解其背後的科學依據和臨床現狀，有助於行業內外對此進行重新審視。今天，我們分析總結一下幹細胞療法到底能在哪些用途上發光發熱。

撰文：步步先生   

來源：幹細胞者說

幹細胞療法是指利用幹細胞或幹細胞衍生的細胞，以特殊技術移植到體內，取代或修復病人受損的細胞、組織或器官。近三十年來，幹細胞臨床應用發展的趨勢很快。儘管與細胞治療相關的臨床實驗註冊數目呈現指數型增長。然而，真正有效的案例數目並不多，其背後的科學依據並不清楚，我們需要更加謹慎的審視。     國內外也充斥著各種幹細胞治療亂象，面對幹細胞治療的很多不確定性，我們應當理性看待。了解幹細胞治療背後的科學依據和臨床現狀，有助於行業內外對此進行重新審視。     今天借著兩篇國際知名期刊的經典綜述文獻[1,2]，不吹不黑，我們科普一下幹細胞到底能在哪些用途上發光發熱。    

1、應用最成熟的幹細胞：造血幹細胞   

就目前而言，造血幹細胞   （Haematopoietic Stem Cells ,HSCs）   是我們了解最多的成體幹細胞，也是真正意義上的幹細胞，可複製，亦可分化。臨床上主要用於放療/化療之後補充造血幹細胞，進而重塑整個造血系統和免疫系統。     在過去的20年裡，造血幹細胞基因療法有效地治療了單基因遺傳病，諸如原發性免疫缺陷病、血紅素病變及神經代謝紊亂等。2016年，歐盟批准了世界上第一項造血幹細胞基因療法的產品Strimvelis，用於治療由腺苷脫氨酶（ADA）單基因引起的嚴重複合型免疫缺陷病。

預計2020年底，大概會有 5 項造血幹細胞基因療法產品在歐美獲批，進入臨床應用。此外，還有20項針對不同基因遺傳病的相關臨床試驗也在進行。  

造血幹細胞基因療法治療流程：

取病人骨髓和外周血，純化CD34+造血幹細胞，插入構建攜帶目標基因的病毒載體，得到健康造血幹細胞，回輸病人體內。

造血幹細胞基因療法治療缺陷：

首先，治療過程涉及：細胞收集、轉運、編輯及保存，需建立完善的質量控制標準。

其次，病人移植前，需接受化療來清除體內原有的造血幹細胞。因此化療的劑量控制也需要制定相應標準。

最後，使用γ-逆轉錄病毒基因修飾，病毒載體增強子可能會意外激活內源性原癌基因，引發惡性腫瘤。需改用慢病毒進行基因修飾，從而降低致癌風險。

造血幹細胞基因療法治療紅細胞遺傳病難度很大 （因為轉入的基因很難實現持續可控地紅細胞中特異性表達） 。 兩項針對β-地中海貧血症的臨床試驗報告顯示，接受治療的病人病情可以緩解，有的甚至不再需要進行長期輸血。一些早期實驗的結果顯示，造血幹細胞基因療法對鐮刀形貧血症、慢性肉芽腫病和範可尼貧血症臨床試驗也有一定的效果。

2、表皮幹細胞的應用：皮膚和角膜

表皮幹細胞

表皮幹細胞 （ Epithelial stem cells，EpSC ） 是各種表皮細胞的祖先細胞，來源於胚胎的外胚層，是一種位於表皮基底層的成體幹細胞。早期研究發現人表皮角質形成細胞中含有三種細胞類型，分別被稱為holoclone, meroclone和paraclone，holoclone細胞是移植實驗成功的關鍵。 1975年，人表皮角質形成細胞體外培養獲得成功。隨後，用於自體移植治療大面積的燒傷患者。目前，人表皮角質形成細胞移植已經成為治療三級燒傷的常規手段。 表皮幹細胞基因療法現在已經可以治療一些皮膚遺傳病，其中最主要的便是大皰性表皮鬆解症。大皰性表皮鬆解症患者的皮膚在受到輕微摩擦後就會出現水皰和血皰，可能發生在身體任何部分，嚴重時還會導致指甲脫落等症狀。 2017年，著名學術期刊《Nature》報導了一個利用基因改造後的表皮幹細胞成功治療一個年僅7歲的大皰性表皮鬆解症男孩的案例。男孩身上80%的皮膚都植入了經基因工程改造後的表皮幹細胞。

角膜緣幹細胞

角膜緣細胞 （ocular limbal cell） 中也含有一種角膜上皮幹細胞，這對於眼角膜的損傷修復至關重要。角膜緣細胞移植能夠有效地促進角膜再生和視力恢復。通常情況下，從患者未受傷的眼睛中提取1-2平方毫米的角膜緣就能夠進行體外培養，再生出完整的角膜上皮，進行自體移植到受傷的眼部。 2015年，歐盟批准的第一個幹細胞藥物——HOLOCLAR，就是將自體角膜緣上皮幹細胞種植於纖維蛋白膠支架上的一種組織工程幹細胞產品，用於治療各種原因造成的中重度角膜緣幹細胞缺乏症成人患者。 

角膜緣細胞中也含有一部分holoclone細胞，但是克隆的大小、數目和細胞生長速率均不能夠準確預測治療效果。而轉錄因子p63作為一個重要的調控因子，可以幫助判斷角膜緣培養中的holoclone幹細胞含量。臨床試驗結果也表明，p63的表達水平與治療效果呈正相關，這也是目前找到的唯一的與長期療效相關的細胞分子標記物。 因此，體外培養的表皮移植體中haloclone幹細胞數目的多少決定了該移植體質量。

3、肌肉乾細胞：骨骼肌和心肌 

肌肉細胞主要包括骨骼肌細胞和心肌細胞。骨骼肌和心肌細胞從胚胎發育來源和再生能力上來看具有較大差異。在損傷情況下，骨骼肌細胞具有較高的再生修復能力，而心肌細胞則不可再生。

骨骼肌幹細胞

骨骼肌大約佔體重的40%，成人肌肉乾細胞具有強大的再生潛能，受損時可自我修復肌肉損傷。然而隨著年齡的增加，骨骼肌的質量和強度會逐漸下降。由於成人肌肉乾細胞培養難度比較大，因而限制了其臨床應用。

1961年，Mauro發現肌衛星細胞，目前被認為是骨骼肌幹細胞。其位於肌肉膜和基底層之間，高表達Pax7。骨骼肌幹細胞（肌衛星細胞）在成年後便進入靜息狀態，只有在肌肉損傷時才會被再次激活，分化為肌原細胞修復肌肉纖維，同時自我更新，生成新的肌衛星細胞。

1990年，人們通過移植骨骼肌幹細胞來治療杜氏肌營養不良症。雖然，在患者體內可以檢測到供體的骨骼肌幹細胞，但治療並沒有效果，這或許是因移植的細胞存活率和遷移能力較低的原因。

除此之外，幹細胞療法可以針對治療因衰老或疾病引起的肌肉萎縮。針對局部性的肌肉損傷修復的骨骼肌幹細胞移植實驗取得了一定的成效，比如括約肌失禁治療等。

心肌幹細胞

心肌幹細胞一直沒有廣泛認可的特定細胞類型。2001年，一項研究聲稱骨髓移植有利於治療心肌梗塞，然而這項研究是充滿爭議的，因為其他課題組卻無法重複其研究結果。人們猜想骨髓基質細胞移植可能是通過旁分泌的方式促進心肌細胞的存活及血管生成來發揮作用的。另一項研究則表明，心臟細胞在人體發育過程中是可以分化為其他細胞的，但是在成年人體內不會發生。

利用多能幹細胞（ESC和iPSC）分化獲得的心肌前體細胞在動物體內實驗有一定效果，能夠可控分化成各種心臟細胞類型，但是面臨體外細胞擴增困難和免疫排斥的問題，且容易引發心律失常。

另一種方案是直接促進內源性的心臟再生，避免細胞移植問題。比如，激活內源性的心肌祖細胞或者誘導纖維細胞轉分化為心肌細胞，原位誘導細胞部分重編程或者使用外部的心臟補片。

4、爭議中的間充質幹細胞療法

間充質幹細胞 （ 間充質基質細胞，Mesenchymal Stem/Stromal cell,MSCs ） 被廣泛用於命名各種組織來源的貼壁生長的成纖維細胞群，甚至有些嚴格意義上並非是幹細胞的細胞群。

間充質幹/基質細胞

1976年，Freidenstein等首次發現在骨髓裡存在一群非造血的骨髓基質細胞，呈克隆性貼壁生長，形態和成纖維細胞相似。由於這些細胞具有多能性，可以分化為中胚層組織，如肌肉、肌腱、韌帶及脂肪組織等。1988年，Freidenstein和Owen 將其命名為間充質幹細胞。 嚴格意義上講，並不準確。原因有二：第一，間充質是一種胚胎結締組織，可生成各種結締組織，血液和血管等。但出生後，間充質幹細胞顯然不具有這一特性。第二，不同的間充質幹細胞來源於不同的特化神經嵴及中胚層。無論是在胚胎發育時期還是出生後，都不存在共同的間充質幹細胞祖先。 雖然間充質幹細胞的理論基礎不紮實，但不影響其實際應用。目前，間充質幹細胞臨床試驗已經超過900項，用於治療各種疾病。

通常，間充質幹細胞移植後會很快消失 [3] ，可能是通過旁分泌發揮功能。 與傳統意義上的幹細胞移植治療（用於組織再生）有很大不同。因此，有些專家認為其不屬於幹細胞治療的範疇。越來越多證據表明間充質幹細胞的治療功效是基於其獨特的免疫調控功能和血管再生功能，而非其「乾性」。 

目前來看，間充質幹細胞已成為全球開展臨床研究項目數最多的細胞，全球也有近十款間充質幹細胞藥物上市，諸如用於治療急性移植物抗宿主病的Temcell 產品，用於治療克羅恩病的 Alofisel 產品等。幹細胞的火爆伴隨著幹細胞亂象。很多人願意付費進行一些未經審批註冊的間充質幹細胞治療實驗。他們使用未經純化的骨髓 （註：應該是BMMC） 或者是吸脂吸出物 （註：應該是SVF） 直接進行移植。其結果存在很大風險，國際知名期刊NEJM有報導稱有人在直接注射脂肪幹細胞 （可能是SVF） 治療黃斑變性之後出現急性失明 [4] 。 可見，目前間充質幹細胞治療亟需規範化管理，其分類也亟需細化，不能一概而論。

組織特異性幹細胞

然而，值得注意的是，廣義上的「間充質幹細胞」中確實存在一些組織特異幹/祖細胞。但是不應被籠統叫做為間充質幹細胞，應該根據其來源和分化方向進行更為細緻的分類。比如在脂肪幹細胞，就是從脂肪組織中得到的一種間充質幹細胞。再比如牙髓幹細胞等等。 目前，用於鑑定的細胞表面分子標記物也並不太靠譜。比如人體很多組織都存在CD146+（CD45-CD31- ）細胞，雖然來自不同組織，卻具有共同的分子標記物，且都可在體外擴增。事實上，同為CD146+細胞，卻在轉錄組和分化結果上差異卻非常大，這就是組織特異性。不同來源的細胞只能分化為具有組織特定的細胞，而不能隨意分化為其他譜系細胞。

5、幹細胞在神經再生方面的應用

在哺乳動物中，大腦發育基本上在胚胎時期就已經完成了，只有一小部分神經組織在兒童期和成年期持續發展。因為 成人神經細胞的再生能力較弱，隨著年齡增長，神經細胞退化嚴重，容易引起神經退行性疾病，比如帕金森、亨廷頓、視網膜退行性疾病等。

胎兒細胞

胎兒細胞（Foetal cell）具有較強的再生能力，移植胎兒細胞可以取代退化的神經元。儘管這一療法確實有效果，但是細胞來源非常困難，並且存在嚴重的倫理問題。

以帕金森病為例，患者因其多巴胺能神經元退化，分泌多巴胺水平過低，引起行動障礙。目前治療手段是使用多巴胺能藥物，但長期會產生一定的副作用（比如運動障礙和神經精神併發症）。理論上，只要重建患者大腦中的多巴胺能神經元，就可有效治療帕金森病。

在30年前，歐美及加拿大便有人嘗試移植胎腦組織給病人。結果發現，儘管療效因人而異，但胎腦細胞移植法確實能重建多巴胺能神經元。由於胎腦細胞來源的稀缺性，進行胎腦細胞移植並不太現實，且有巨大的倫理問題。因此，如何開發多能幹細胞來修復神經組織是幹細胞療法的熱門研究問題。

多能幹細胞

1998年首次報導人胚胎幹細胞（ESC）培養成功，2007年首次報導人誘導的多能幹細胞（iPSC）獲得成功。目前已有實驗表明，人胚胎幹細胞可以誘導分化成類似多巴胺能神經元的細胞，這些細胞在功能上和分子表達譜上都與胎兒腦細胞非常相似，為臨床應用提供了充分的理論依據。

目前，世界各地多家機構準備或已經開始相關臨床試驗，這將是攻克帕金森病或其他退行性疾病的重要一步。在中國，中科院動物所周琪院士團隊開展相關臨床試驗，在方案中，研究人員把胚胎幹細胞來源的神經前體細胞注入患者大腦紋狀體，以期達到多巴胺神經元再生的效果。在日本，京都大學教授高橋良輔，也開展類似的工作，使用的是iPS細胞來源的多巴胺能祖細胞，以一名50多歲的男性帕金森病患者為對象實施了全球首例臨床試驗。

6、文末小結

幹細胞療法是當今醫學研究最前沿也是最熱門的方向之一，取得了令人興奮的成果。每一項成功的臨床試驗，背後都有紮實的基礎研究作為鋪墊，其中涉及幹細胞本身的生物學特性、適應症的選擇，給藥方式的選擇，細胞的選擇和給藥的劑量，這些都是成功的非常關鍵因素。

通常，造血幹細胞移植只需靜脈輸注即可，而表皮幹細胞則需要局部移植，至於中樞神經系統相關的幹細胞治療更為複雜。最後，我們如果能夠從成功案例中總結制定一套完善的評價標準，便可將其推廣到其他幹細胞及基因治療中，推動其發展。

任何事物的發展都將遇到挑戰和阻礙，我們仍然相信幹細胞治療將克服困難，成為可靠的治療方式。

參考資料：

[1 ]Luca M D ,et al. Advances in stem cell research and therapeutic development[J]. Nature Cell Biology, 2019, 21(6). 

[2]Helen M. Blau, Ph.D., George Q. Daley, M.D., Ph.D. Stem Cells in the Treatment of Disease, NEJM (2019) 

[3]Phinney, D. G. & Prockop, D. J. Concise review: mesenchymal stem/multipotent stromal cells: the state of transdiferentiation and modes of tissue repair–current views. Stem Cells  25, 2 896–2902 (2007) 

[4]. Kuriyan, A. E. et al. Vision loss afer intravitreal injection of autologous 「stem cells」 for AMD. N. Engl. J. Med.  376, 1047–1053 (2017)