未來科學(xué)大獎：個人制備儲存iPS細(xì)胞成為細(xì)胞治療應(yīng)用的主要趨勢

導(dǎo)語：8月16日，有“中國的諾貝爾獎”之譽的未來科學(xué)大獎公布2024年獲獎名單。因開創(chuàng)了利用化學(xué)方法將體細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），改變細(xì)胞命運和狀態(tài)方面的杰出工作，干細(xì)胞生物學(xué)家鄧宏魁獲得“生命科學(xué)獎”。

圖：誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞在疾病建模和藥物研發(fā)中的作用

2006年，日本諾獎得主山中伸彌及其同事發(fā)現(xiàn)，通過四種轉(zhuǎn)錄因子將成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著再生醫(yī)學(xué)的新時代。

鄧宏魁率先發(fā)展了使用化學(xué)小分子將成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化為iPSC（化學(xué)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，即CiPSC）的方法。他證明了CiPSC可以成功用于產(chǎn)生具有生育能力的小鼠，并揭示了產(chǎn)生CiPSC的分子途徑。鄧宏魁還成功建立了人類CiPSC誘導(dǎo)技術(shù)，并證明了由人類CiPSC衍生的胰島可以改善非人靈長類動物的糖尿病，顯示出CiPSC的巨大臨床潛力。

鄧宏魁的原創(chuàng)性工作為細(xì)胞重編程開辟了新的途徑，并將對干細(xì)胞研究和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。

2023年1月9日，鄧宏魁研究組研究開發(fā)了一個全新的胰島移植策略，有效支持人iPS細(xì)胞分化的胰島細(xì)胞在體內(nèi)存活、功能成熟以及功能長期維持。同年7月11日，研究團隊成功完成了國際首例1型糖尿病受試者iPS細(xì)胞分化的胰島細(xì)胞移植手術(shù)。該治療技術(shù)有望成為徹底治愈1型糖尿病的理想方案。

iPS細(xì)胞來源間充質(zhì)干細(xì)胞解決細(xì)胞治療行業(yè)關(guān)鍵問題

人類間充質(zhì)干細(xì)胞 (hMSC) 已成為再生醫(yī)學(xué)的有吸引力的細(xì)胞來源。MSC 是成體干細(xì)胞，存在于幾乎所有成體組織和出生相關(guān)組織中。

誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞 (iPSC) 可以無限地自我更新并分化為任何類型的細(xì)胞，包括 MSC。因此，iPSC-MSC (iMSC) 可以提供無限的 iPSC-MSC，以克服原始 MSC 有限的 MSC，并成為 MSC 的規(guī)模化應(yīng)用的主要來源 。

作為臨床上使用最廣泛的干細(xì)胞之一，MSC 已在1500 多個臨床試驗中用于治療 30 多種疾病。然而，原始 MSC 的壽命有限，導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)量有限。在體外擴增過程中，MSC 逐漸失去分化潛能并衰老，這極大地?fù)p害了它們的治療應(yīng)用。MSC 治療為再生醫(yī)學(xué)提供了一種有希望的治療選擇。

新加坡科技研究局分子和細(xì)胞生物學(xué)研究所的科研團隊在行業(yè)期刊World J Stem Cells上發(fā)表了題為Application of mesenchymal stem cells derived from human pluripotent stem cells in regenerative medicine（人多能干細(xì)胞來源的間充質(zhì)干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用）的綜述報告。

該報告指出，間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSC) 是再生醫(yī)學(xué)中臨床使用最廣泛的干細(xì)胞。然而，由于原代 MSC 存在一些缺點，例如細(xì)胞增殖能力有限、組織中稀少導(dǎo)致 MSC 數(shù)量有限、體外擴增過程中逐漸喪失分化能力導(dǎo)致 MSC 應(yīng)用效果降低、供體之間的差異導(dǎo)致 MSC 效果的不確定性增加，MSC 的臨床應(yīng)用受到了極大的阻礙。源自人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (hPSC-MSC) 的 MSC 可以規(guī)避與原代 MSC 相關(guān)的這些問題。由于 hPSC 具有無限的自我更新能力及其向 MSC 分化的潛力，hPSC-MSC 正在成為再生醫(yī)學(xué)的一種有吸引力的替代品。

由于其多能性、免疫抑制性和無限的細(xì)胞來源，hPSC-MSC 已用于再生醫(yī)學(xué)的各種應(yīng)用：

表：CKD：慢性腎病；UUO：單側(cè)輸尿管阻塞；LN：狼瘡性腎炎；TNBC：三陰性乳腺癌；EMT：上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化；IDO1：吲哚胺2,3-雙加氧酶1；FOP：進行性骨化性纖維發(fā)育不良；mTOR：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白；EAE：實驗性自身免疫性腦脊髓炎；EAU：實驗性自身免疫性葡萄膜炎；TSG-6：TNFα刺激基因-6；SS：干燥綜合征；CX43：連接蛋白43；Exos：外泌體；SR-aGvHD：急性類固醇耐藥性移植物抗宿主病

hPSC-MSC的優(yōu)勢

1.原代 MSC 存在一些缺點，包括可擴展性有限、供體間差異大以及臨床試驗結(jié)果不一致。iPSC-MSC 有可能克服傳統(tǒng)和供體衍生 MSC 生產(chǎn)工藝的根本限制。過去幾年，關(guān)于 hPSC-MSC 用于再生醫(yī)學(xué)的報告越來越多，hPSC-MSC 的衍生取得了實質(zhì)性進展。

2.MSC 的使用已進入臨床應(yīng)用的不同階段。與原代MSC相比，hPSC-MSC具有增殖速度快、壽命長、細(xì)胞來源可靠、均質(zhì)性強等優(yōu)點。

3.MSC 具有抗炎和免疫調(diào)節(jié)特性。然而，患者自體 hPSC-MSC 仍然是再生醫(yī)學(xué)的更好選擇，因為與同種異體 MSC 相比，對免疫反應(yīng)的擔(dān)憂較少。

誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞導(dǎo)致細(xì)胞免疫療法的范式轉(zhuǎn)變

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC) 的使用已導(dǎo)致細(xì)胞免疫療法的范式轉(zhuǎn)變。通過將體細(xì)胞重新編程為多能狀態(tài)，iPSC 代表了多種細(xì)胞譜系的可再生來源，包括 T 細(xì)胞、自然殺傷 (NK) 細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。

iPSC的這種能力和特性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要意義，它繞過了自體患者衍生細(xì)胞治療的局限性，并提供了開發(fā)源自健康供體來源的同種異體“現(xiàn)成”細(xì)胞療法的潛力。

iPSC衍生的T細(xì)胞和CAR-T細(xì)胞療法

傳統(tǒng)自體嵌合抗原受體 (CAR) T 細(xì)胞療法推動了免疫療法的重大進展，但受到 T 細(xì)胞適應(yīng)性不佳、患者起始材料有限以及制造過程復(fù)雜且昂貴的等因素的限制。

iPSC 技術(shù)提供了一種克服這些生產(chǎn)瓶頸的方法，即從健康供體來源獲取治療性 T 細(xì)胞。該過程涉及體細(xì)胞重編程，然后定向分化為造血祖細(xì)胞 (HPC)。

iPSC?衍生的?造血祖細(xì)胞必須在精確的條件下培養(yǎng)，包括暴露于 Notch 配體（如 DLL4）和細(xì)胞因子混合物（如 IL-2、IL-7 和 IL15），這些旨在模擬 T 細(xì)胞成熟所必需的胸腺環(huán)境。

一旦細(xì)胞分化，iPSC 衍生的 T 細(xì)胞就會經(jīng)過 CAR 工程，以針對腫瘤相關(guān)抗原 (TAA) 的特異性。

除了在制造方面具有明顯優(yōu)勢外，同種異體 iPSC 衍生的 CAR-T 產(chǎn)品還比自體產(chǎn)品具有一系列治療優(yōu)勢。

例如，主 iPSC細(xì)胞資源庫允許在良好生產(chǎn)規(guī)范 (GMP) 條件下進行一致、可擴展的生產(chǎn)。使用健康供體作為原始細(xì)胞也可能提高細(xì)胞適應(yīng)性、持久性和抗腫瘤效力（相對于患者 T 細(xì)胞）。

多抗原 CAR 靶向提高了腫瘤表位覆蓋率，而基因組去除內(nèi)源性 T 細(xì)胞受體 (TCR) 和人類白細(xì)胞抗原 (HLA) 分子是減輕移植物抗宿主病 (GvHD) 相關(guān)風(fēng)險的關(guān)鍵。

iPSC 衍生的 NK 細(xì)胞：利用先天免疫力

iPSC 衍生的NK細(xì)胞療法代表了另一種治療途徑，它利用了NK細(xì)胞的先天能力和 iPSC 的無限擴增潛力。iPSC-NK細(xì)胞源自健康供體（與自體 CAR-T 不同），這意味著這些細(xì)胞可以通過定向分化為淋巴譜系來持續(xù)制造。

通過模擬體內(nèi)NK 細(xì)胞發(fā)育，研究人員可以使用反映自然 NK 細(xì)胞發(fā)育的細(xì)胞因子和生長因子將 iPSC 分化為 NK 細(xì)胞。

圖：iPSC分化為NK 細(xì)胞的2D和3D方案示意圖。圖片來源：ACROBiosystems

當(dāng)前的進展已導(dǎo)致無飼養(yǎng)層分化協(xié)議的開發(fā)，簡化了流程并同時提高了可擴展性。

這些方法利用逐步暴露于一系列生長因子，包括 VEGF、SCF、BMP4、Flt3-L、IL-3、IL-7 和 IL15。這些生長因子與基質(zhì)支持一起使用，引導(dǎo) iPSC 經(jīng)歷 HPC 階段，成為功能性細(xì)胞毒性 CD56+CD3- NK 細(xì)胞。

同種異體 NK 細(xì)胞具有直接細(xì)胞介導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞毒性和抗體依賴性細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性 (ADCC) 優(yōu)勢。它們還可以通過 CAR 進行改造，以實現(xiàn) HLA 獨立的腫瘤靶向治療。

值得注意的是，與 T 細(xì)胞相比，NK 細(xì)胞譜系具有更有利的安全性，發(fā)生 GvHD、細(xì)胞因子釋放綜合征 (CRS) 和神經(jīng)毒性的傾向較低。

圖：iPSC 衍生的 NK 細(xì)胞治療示意圖。Immune Netw. (Shin) 2020;20(2):e14。圖片來源：ACROBiosystems

同種異體 NK 細(xì)胞治療的前景光明，對 NK 細(xì)胞在血液學(xué)和實體腫瘤適應(yīng)癥中的安全性、有效性和適用性的研究仍在持續(xù)進行。

目前正在開展工作以增強 iPSC 衍生的 NK 細(xì)胞的歸巢、持久性和腫瘤浸潤能力，并最大限度地降低同種異體環(huán)境中的排斥風(fēng)險。CAR-NK 細(xì)胞的開發(fā)（將 CAR 技術(shù)與 NK 細(xì)胞特有的細(xì)胞毒性相結(jié)合）代表了下一代免疫療法的重要發(fā)展。

工程 NK 細(xì)胞有可能提供比CAR-T 細(xì)胞療法更安全、更有效的替代方案，特別是在治療免疫抑制性實體腫瘤時。

iPSC 衍生的巨噬細(xì)胞：一個新興的前沿領(lǐng)域

iPSC 建立在 T 和 NK 細(xì)胞工程平臺的成功基礎(chǔ)之上，提供了以 CAR-巨噬細(xì)胞 (CAR-Ms) 形式創(chuàng)建一類新型細(xì)胞免疫療法的潛力。

CAR-M 療法利用巨噬細(xì)胞的固有能力。巨噬細(xì)胞是一種多功能免疫細(xì)胞，具有吞噬作用、組織重塑和發(fā)揮抗炎作用。

這些經(jīng)過改造的巨噬細(xì)胞隨后可以被重定向以專門瞄準(zhǔn)和消滅癌細(xì)胞，從而為治療包括血液腫瘤和實體腫瘤在內(nèi)的一系列惡性腫瘤提供一種有希望的新方法。

圖. ?CAR-M 通過增加炎癥因子的表達、吞噬作用和向 T 細(xì)胞呈遞抗原的能力來增強抗腫瘤細(xì)胞。分化（Hang）。2023；130:51-57。圖片來源：ACROBiosystems

通過利用其沿髓系定向分化的能力，可再生 iPSC 能夠通過使用 M-CSF、GM-CSF、IL-3 和 IL-4 等生長因子培養(yǎng) HPC 來產(chǎn)生成熟的 CD14+CD16+ 巨噬細(xì)胞。

這些吞噬巨噬細(xì)胞可以通過基因改造來表達 CAR，從而有效地將其抗原呈遞、細(xì)胞毒性和免疫調(diào)節(jié)功能重定向至特定的 TAA。

CAR-M治療領(lǐng)域仍處于早期階段，仍存在一些限制和挑戰(zhàn)需要解決。

一個主要擔(dān)憂是免疫抑制腫瘤微環(huán)境 (TME) 可能會破壞 CAR-M 的抗腫瘤功能，盡管臨床前模型表明 CAR-M 可能具有重新編程 TME 的能力。

CAR-M 作為單一療法的療效仍存在不確定性，而可能需要與其他形式的癌癥免疫療法（例如檢查點抑制劑或 CAR-T）聯(lián)合治療，以解決 TME 的復(fù)雜性并確保改善治療效果。

CAR-M 的制造工藝、冷凍保存技術(shù)和重復(fù)給藥方案也需要持續(xù)優(yōu)化，以保持持續(xù)、強大的抗腫瘤監(jiān)測。

總之，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)方面具有巨大的潛力，可用于疾病建模、藥物篩選和再生醫(yī)學(xué)中各種疾病的治療。iPSC 技術(shù)徹底改變了細(xì)胞療法。該領(lǐng)域的發(fā)展使得人們能夠從健康的供體來源獲取各種細(xì)胞，從而獲得可持續(xù)的來源。這些多功能細(xì)胞治療平臺在臨床試驗中不斷取得進展，預(yù)計它們將在改善細(xì)胞治療領(lǐng)域前景方面發(fā)揮變革作用。人們還期望iPSC將為廣泛適應(yīng)癥開發(fā)更有效、耐受性更好的細(xì)胞療法。