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文章來源：干細胞者說， 作者：步步/小仙

多能干細胞（Pluripotent Stem Cells, PSC），以胚胎干細胞（Embryonic Stem Cells, ESC）和誘導(dǎo)性多能干細胞（induced Pluripotent Stem Cells, iPSC）為代表。1998年報道人類ESC從囊胚期胚胎中分離出來，2007年報道人類iPSC獲得成功。

多能干細胞的發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)改變了干細胞研究和基于細胞的治療，開辟了再生醫(yī)學(xué)的新時代，特別是細胞治療來替代丟失或受損的組織。多能干細胞逐漸被探索用于各種疾病和損傷的細胞治療（如帕金森，脊髓損傷、年齡相關(guān)黃斑變性等）。關(guān)于臨床應(yīng)用，但ESC的倫理問題和免疫排斥反應(yīng)問題凸顯，使得iPSCs在疾病的治療方面擁有更大的應(yīng)用前景。

注：使用PSC進行細胞治療的臨床試驗（來源于參考資料1）

-01-多能干細胞的歷史

多能干細胞屬于可自我再生的細胞類型，具有分化為三個胚層各種細胞的能力。第一個多能細胞系是由人類生殖細胞腫瘤和小鼠未分化隔室建立的胚胎癌（embryonic carcinoma，EC）細胞系。盡管，EC細胞在體外是一種強大的工具，但由于其癌癥來源和非整倍體基因型，這些細胞不適合臨床應(yīng)用。
1981年，科學(xué)家們建立了第一批小鼠胚胎干細胞。小鼠ESCs來源于胚胎著床前囊胚的內(nèi)細胞團（ICM）。囊胚具有生物結(jié)構(gòu)，含有滋養(yǎng)層和ICM, 最終ICM發(fā)育成胎兒各個組織，滋養(yǎng)層細胞發(fā)育成胎盤和胎膜。在胚胎發(fā)育過程中，ESCs只存在很短的一段時間，而在體外，ESCs則可以未分化狀態(tài)無限擴增。在過去的40年里，小鼠ESCs的發(fā)現(xiàn)極大地改變了生物醫(yī)學(xué)研究和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

1998年，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的大佬詹姆斯-湯姆森（James Thomson）教授從囊胚期胚胎中分離出一株人類胚胎干細胞系，引發(fā)了全球媒體和倫理研究委員會的巨大爭議，因為反對人類胚胎用于研究目的。使用hESCs的研究已經(jīng)證明了它們在臨床環(huán)境中的治療潛力。關(guān)于臨床應(yīng)用，但hESC的倫理問題和免疫排斥反應(yīng)問題凸顯。
2006年，日本京都大學(xué)山中伸彌（Shinya Yamanaka）教授和他的學(xué)生兼助手高橋和利（Kazutoshi Takahashi）采用四種轉(zhuǎn)錄因子（Oct-3/4, Sox2, Klf4和c-Myc，稱為OSKM），從小鼠體細胞中制備出第一批小鼠誘導(dǎo)多能干細胞。

2007年，Takahashi等人使用相同的OSKM因子成功制備出第一株人類誘導(dǎo)多能干細胞，具有與hESCs相似的分子和生物學(xué)特征。從那時起，hiPSC被廣泛研究，擴大了我們對許多疾病發(fā)病機制的認識，有助于我們開發(fā)新的細胞療法和進行個性化醫(yī)療。

-02-多能干細胞的臨床應(yīng)用

自從1998年第一株人類胚胎干細胞建系以來，多能干細胞的研究在再生醫(yī)學(xué)、疾病建模、藥物篩選和干細胞治療方面取得了重大進展。在臨床試驗中，hESCs的使用依然受到倫理問題和嚴格監(jiān)管的限制，有限的臨床前數(shù)據(jù)支持其治療潛力。不可否認的是，hESC在疾病的治療方面取得一定的成功。

2012年，Steven Schwartz研究團隊報告了第一個使用hESC來源的視網(wǎng)膜色素上皮（RPE）治療Stargardt黃斑營養(yǎng)不良癥的臨床證據(jù)，這是一個干性年齡相關(guān)性黃斑變性患者。在RPE分化率大于99%的情況下，每例患者單眼視網(wǎng)膜下腔內(nèi)注射5×10*4個RPE。由于分化RPE的hESC源暴露于小鼠胚胎干細胞，因此被認為是異種移植產(chǎn)物，需要較低劑量的免疫抑制處理。本研究表明，hESCs通過分化為功能性RPE而改善了患者的視力，沒有任何嚴重的不良事件。

隨后，開展兩項I/II期臨床試驗，并于2015年發(fā)表了研究結(jié)果。在臨床試驗中，患者被分為三組，接受三種不同劑量的hESC-RPE，單眼10×10*4、15× 10*4和50×10*4個RPE細胞。隨訪22個月，19例患者視力改善，7例患者無改善，1例患者視力進一步下降。技術(shù)挑戰(zhàn)在于給藥后RPE的不平衡增殖，這個現(xiàn)象在72%的患者治療后觀察到。
在兩名年齡性黃斑變性的韓國患者和兩名患有Stargardt黃斑營養(yǎng)不良的患者中也進行了類似的方法。研究結(jié)果：證實了hESC-RPE細胞的安全性，有3例患者的視力有所改善。

最近，中國研究人員在無異種培養(yǎng)條件下也開發(fā)了臨床級的hESC-RPE細胞，用于治療濕性年齡相關(guān)性變性患者。由于hESC的倫理問題和免疫排斥反應(yīng)問題凸顯，使得hiPSC-RPE細胞成為治療黃斑變性的潛在細胞來源。雖然RPE分化方案已經(jīng)得到優(yōu)化，用以提高hiPSC-RPE細胞的療效，但依然不足，耗時且費力。為了臨床應(yīng)用，利用對FGF/MAPK信號通路的短暫抑制，利用無飼養(yǎng)層培養(yǎng)條件，開發(fā)了一種將“啟動"到“na?ve"狀態(tài)的hiPSCs向RPE有效分化的方法。在整個分化過程中，hiPSC中特異性轉(zhuǎn)錄因子的過表達也是一種產(chǎn)生大量臨床使用的RPE細胞的有趣方法。在最近研究中，三種轉(zhuǎn)錄因子（OTX2、PAX6和MITF）的過表達刺激了hiPSC向RPE的分化，產(chǎn)生了適合移植的功能性RPE細胞。迄今為止，盡管來自I/II期臨床試驗的報告數(shù)據(jù)已經(jīng)足以支持hESC-RPE細胞的安全性，但仍處于不成熟階段。

因此，未來的研究應(yīng)著眼于RPE的細胞制造過程和視網(wǎng)膜下給藥途徑的發(fā)展，以進一步改善RPE制造和植入患者視網(wǎng)膜的效果。大量研究表明，hESC衍生的心肌細胞表現(xiàn)出心臟轉(zhuǎn)錄因子，并表現(xiàn)出心肌細胞表型和未成熟的電表型。此外，使用hPSC來源的心肌細胞可以提供真正的再肌化和移植所需的大量細胞。因此，這些細胞可能是治療人類心血管疾病的一種有希望的新治療方法。

在一份病例報告中，hESC來源的心肌細胞在嚴重心力衰竭患者中顯示出潛在的治療效果，并沒有出現(xiàn)任何后續(xù)并發(fā)癥。這項是一項hESC-心肌祖細胞治療重度心力衰竭中的1期試驗，評估從hESCs-心肌祖細胞在纖維蛋白凝膠支架中的安全性，用于治療10例重度心力衰竭患者（NCT02057900）。研究結(jié)果令人鼓舞；不僅證明hESC-心肌祖細胞達到臨床級標(biāo)準(zhǔn)，并將其與組織工程支架結(jié)合可治療嚴重心臟病（患者已于2021年10月達到7年隨訪期）。

目前，兩項使用hESC來源心肌祖細胞的臨床試驗正在進行中。值得關(guān)注的是，研究結(jié)果將為批準(zhǔn)商業(yè)化鋪平道路。第一項試驗由HEARTSHEET® 的發(fā)明者之一，大阪大學(xué)的心臟外科醫(yī)生 Yoshiki Sawa教授通過 iPSC制成心肌細胞薄片，用于治療心力衰竭。目前，研究小組正在進行一項臨床試驗，以驗證心肌細胞薄片治療心力衰竭的安全性和有效性（jRCT2053190081）。臨床適應(yīng)癥是缺血性心臟病，招募10個病人。

另一項臨床試驗使用基于膠原蛋白的構(gòu)建物BioVAT-HF來包含hiPSC-心肌細胞。試驗分為兩部分來評估細胞劑量：（A部分）招募18名患者，（B部分）招募35名患者，以測試大范圍的工程人心肌（EHM）劑量。這項臨床試驗預(yù)期結(jié)果將為EHM在刺激人類心臟再血管化方面的應(yīng)用提供“概念證明"。迄今為止，尚未報告不良事件或嚴重不良事件，支持其安全性。遺憾的是，治療患者數(shù)量相對較少，在有效性方面還不夠充分。
2010年，Geron公司開展了基于多能干細胞治療的臨床試驗之一，使用人類胚胎干細胞來源的少突膠質(zhì)細胞祖細胞（OPC1）治療脊髓損傷。臨床結(jié)果：5名參與者在給藥一年后安全性得到證實。磁共振成像顯示：4名參與者的脊髓退化得到改善。Asterias biotheraptic（AST）通過開展SCi Star I/IIa期研究來繼續(xù)Geron公司的研究，以評估AST- OPC1 (NCT02302157)的治療效果。該試驗的結(jié)果發(fā)表在clinicaltrials.gov上，結(jié)果顯示跑步速度、前肢跨步長度、前肢縱向偏差和后肢跨步頻率有顯著改善。有趣的是，最近公布的一項多中心、非隨機、單組、介入性的一期試驗數(shù)據(jù)顯示，沒有證據(jù)表明神經(jīng)功能衰退，患者在使用OPC1產(chǎn)品10年后出現(xiàn)腫物增大、脊髓進一步損傷或鼻咽形成。該數(shù)據(jù)集提供了可靠的證據(jù)，支持OPC1的安全性，無事件期長達10年，這加強了SCi Star試驗的安全性。

對使用基于hPSC的治療的臨床試驗的全球趨勢的分析表明，77.1%的研究是觀察性的（即沒有給病人注射細胞），只有22.9%的研究使用hPSC來源的細胞作為介入性治療。

使用hiPSC的研究數(shù)量相對高于使用hESCs的研究數(shù)量，分別為74.8%和25.2%。大多數(shù)觀察性研究在歐美國家進行，包括美國（41.6%）和法國（16.8%），而大多數(shù)干預(yù)性研究在亞洲國家進行，包括中國（36.7%）、日本（13.3%）和韓國（10%）。就目標(biāo)疾病而言，也很明確。研究最多的三種疾病是眼科疾病、循環(huán)系統(tǒng)疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。令人驚訝的是，自發(fā)現(xiàn)hESC以來，多能干細胞的臨床應(yīng)用幾乎沒有取得進展。專注于使用iPSCs作為治療藥物的臨床試驗數(shù)量相對較少，這可能歸因于iPSCs基因組不穩(wěn)定、免疫排斥和腫瘤形成的可能性。

治療性ESC注冊臨床產(chǎn)品

治療性iPSC注冊臨床產(chǎn)品

從治療的疾病種類來看，iPSC與ESC的注冊臨床試驗涉及多種適應(yīng)癥，包括I型糖尿病、黃斑變性、帕金森病、脊髓損傷等。9款治療性ESC注冊性臨床產(chǎn)品中，眼科疾?。?3%）以及神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?5%）為主要的研究領(lǐng)域，另外也有針對內(nèi)分泌系統(tǒng)（11%）以及泌尿系統(tǒng)（11%）的治療性研究。4款治療性iPSC注冊性臨床產(chǎn)品中，心血管疾?。?0%）占較大的比例。
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小結(jié)和展望

我們概述了日本使用基于iPSC進行的臨床試驗。雖然iPSC仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，但仍不能阻擋其在細胞治療和其他應(yīng)用方面的巨大潛力。大量的科學(xué)家仍然持續(xù)在這一領(lǐng)域進行努力耕耘，不斷克服剩余的障礙。

參考資料：

[1] Current status and future directions of clinical applications using iPS cells—focus on Japan[J]. The FEBS Journal.[2]Mandai M, Watanabe A, Kurimoto Y, Hirami Y,Morinaga C, Daimon T, Fujihara M, Akimaru H,Sakai N, Shibata Y et al. (2017) Autologous inducedstem-cell–derived retinal cells for maculardegeneration. N Engl J Med 376, 1038–1046.[3]Japan Agency For Medical Research and Development(2019) Team performs the world’s fifirst transplant usingcorneal epithelial cell sheets from iPS cells, 20190829.[4]Doi D, Magotani H, Kikuchi T, Ikeda M, HiramatsuS, Yoshida K, Amano N, Nomura M, Umekage M,Morizane A et al. (2020) Pre-clinical study of inducedpluripotent stem cell-derived dopaminergic progenitorcells for Parkinson’s disease. Nat Commun 11, 3369.[5]Osada H, Ho WJ, Yamashita H, Yamazaki K, IkedaT, Minatoya K & Masumoto H (2020) Novel deviceprototyping for endoscopic cell sheet transplantationusing a three-dimensional printed simulator. RegenTher 15, 258–264[6]Nakamura S, Sugimoto N & Eto K (2020) Ex vivogeneration of platelet products from human iPS cells.Inflflamm Regen 40, 30.[7]Yamada D, Iyoda T, Vizcardo R, Shimizu K, Sato Y,Endo TA, Kitahara G, Okoshi M, Kobayashi M,Sakurai M et al. (2016) Effificient regeneration ofhuman Va24+ invariant natural killer T cells and theiranti-tumor activity in vivo. Stem Cells 34, 2852–2860.[8]Japan Agency For Medical Research and Development(2020) Clinical trial with human ES cells for congenitalurea cycle disorder, 20200521
Pluripotent Stem Cell-Based Cell Therapy—Promise and Challenges. Shinya Yamanaka. Cell Stem Cell 27, October 1, 2020

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【參考文獻】

[1] Donnelly Hannah, Salmeron-Sanchez Manuel and Dalby Matthew J. Designing stem cell niches for differentiation and self-renewal. Journal of the Royal Society Interface. 2018

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