逆天改命?诱导多能干细胞能否帮你重塑新生

导读

       2006年,日本京都大学山中伸弥教授把Oct3/4,Sox2、c-Myc和Klf4四种转录因子克隆到病毒载体,然后引入小鼠成纤维细胞发现,可诱导成纤维细胞转化为一种新细胞。凭借这一发现,山中伸弥获得了2012年诺贝尔生理学和医学奖,同时也开启了干细胞治疗的新时代。今天我们就和大家一起看看,这一诺贝尔奖背后蕴藏的诱导多能干细胞产业。


诱导多能干细胞是碗孟婆汤


       人类漫长的旅途开始于一颗细胞,经过不断的分裂和分化,每一个体细胞都被训练成“专业型”选手。然而干细胞就像是一个未接受过任何训练的学生,具有从事任何职业的潜能,只要加以诱导就能变成人体任何一种细胞。


640.webp.jpg


诱导多能干细胞VS普通细胞

图片来源:NIH,Nature,国金证券研究所整理


       按照发育阶段分类,干细胞可分为胚胎干细胞(Embryonic Stem Cell)和成体干细胞(Adult Stem Cell)。受精卵是形成人体的第一个细胞,受精卵一分为二,二分为四,不断分裂。当分裂成16-32个细胞时,成为桑椹胚,到了32个以上细胞的阶段则成为囊胚,囊胚阶段的内细胞团被称为胚胎干细胞。胚胎干细胞是一种高度未分化的细胞,可以分化为体内200多种细胞类型。胚胎干细胞就像是开天辟地的盘古大神,最终能够演化成人体的山川河流。


       人体内的某些组织中还存在一些未分化的细胞,这些细胞具有自我更新和多向分化的潜能,我们称为成体干细胞。皮肤、脂肪、骨髓、脐带和胎盘中就存在这些保留了干细胞特征的原始细胞。相对于胚胎干细胞,成体干细胞的分化潜能相对较弱,通常只能定向分化成特定的组织和器官。成体干细胞更像是某一领域的“多面手”,比如皮肤中的成体干细胞一方面可分化成新的皮肤干细胞,另一方面,当皮肤组织受到外伤、老化、疾病等损伤时,可以分化为新细胞,以保持机体平衡。


       人们通常认为,干细胞一旦分化,便再也无法恢复原有状态。但日本京都大学教授山中伸弥教授打破了这个“自然铁律”。他把小鼠皮肤中的纤维细胞成功诱导为类似胚胎干细胞的多能干细胞(iPSC)。这种诱导性多能干细胞的问世,意味着人体内高度分化的细胞也可以“逆转”为多能干细胞,来补充天然干细胞来源的不足。


       诱导多能干细胞就像是一锅煮沸的“孟婆汤”,可以让细胞忘记前世(分化)的点点滴滴,让细胞回到起点,无限可能。诱导多能干细胞具有“趋化性”,它会“有目的”地迁移到相应的病灶或细胞损伤处,替代或修复死亡及受损伤的细胞,直接起到修复损伤组织的作用,比如修复损伤组织细胞、替代损伤细胞的功能或刺激机体自身细胞的再生功能。此外,诱导多能干细胞具有强大的“旁分泌作用”,能分泌各种机体所需的神经营养因子、抗凋亡因子等,参与血管生长、骨修复、造血调控、神经营养等,改善机体各个系统的机能,为多种疾病治疗提供了新的方案。值得一提的还有,干细胞还可以通过其免疫调控机制参与塑造和调控局部免疫微环境,在免疫紊乱性疾病中发挥重要作用。


诱导多能干细胞产业发展重点


       据央广网报道,全球干细胞产业正进入高速发展期,预计2020年干细胞市场将达到4000亿美元,中国干细胞市场规模将高达1200亿元人民币。而诱导多能干细胞市场的全球收入在2019年达8052万美元,预计到2025年将达到1.6亿美元。目前,全球许多公司在开展诱导多能干细胞方面的研究。


640.webp (1).jpg


全球处于新药临床试验阶段的iPSCs产品


       同济大学生命科学与技术学院教授,同济大学附属东方医院特聘研究员,博士研究生导师康岚教授认为,诱导多能干细胞的临床应用有以下四个方面:


基于iPSC的细胞治疗


       与胚胎干细胞不同,iPSC可以由成体细胞直接诱导而成,从而规避了破坏胚胎所带来的伦理问题,同时由于iPSC可以由患者自身的细胞诱导获得,极大地解决了潜在的免疫排斥问题,所以受到不少科学家和医学人士的追捧,希望能尝试用此技术治疗病患。现阶段,iPSC的临床试验主要在日本开展,日本厚生劳动省已经批准利用诱导多能干细胞治疗心脏病。


       在国内,园内企业百济神州也在探索利用诱导多功能干细胞NK细胞疗法治疗各种恶性肿瘤。通过基因改造,iPSC可以加上CAR结构,或者是带上不一样的甚至是多个CAR的靶点。改造完成后,下一步只需要挑选出满足条件的iPSC, 即可进行下游的免疫细胞分化形成NK细胞。


640.png


iPSC基因改造及分化的流程


       经过单一改造后的iPSC分化出来的细胞,理论上100%带有同样的改造结构,只要分化成熟,最终产品将具备极高的均一性。这不但解决了CAR低转染效率、基因改造低效率等技术难题,而且在生产质控、临床申报方面更加有优势。


基于iPSC的细胞疾病模型构建


       不同于细胞治疗临床应用上的各种限制,iPSC在构建疾病模型上的应用发展更加快速,将获得的患者体细胞重编程为特异性的iPSC细胞,再将其诱导分化为疾病相关的细胞类型,从而实现体外疾病模型的构建,这对疾病病理研究具有重要意义。2017年,美国威斯康星麦迪逊大学的科学家们便利用诱导多能干细胞技术,首次在实验室构建出血液与大脑的屏障模型。这一突破性研究,能帮助科学家认识艾伦—赫恩登—达得利综合征(AHDS)、阿尔茨海默病和亨廷顿氏病等神经性疾病的关键机理,并找到治愈它们的良方。目前,研究者们已经利用iPS细胞建立了包括脑、肠、肝脏、胰腺、肾及肺等相关的多种类器官疾病模型,对临床个体化精准治疗具有重要意义。


       在神经治疗领域,园内企业士泽生物也是一家利用多能干细胞治疗神经性疾病的创新企业。通过体外诱导分化人类多能干细胞制备功能性的细胞类型,用于细胞移植替代人体内功能损伤或退化的细胞。士泽生物的一号在研产品是治疗帕金森疾病的细胞药物,二号产品为治疗渐冻症的细胞药物。士泽生物今年也将在BioBAY建立中试GMP生产车间,保障产品线的顺利推进。


基于iPSC的药物筛选


       借由iPSC在疾病模型上得天独厚的优势,iPSC在药物有效化合物的筛选及药物毒性验证上正发挥出重要的作用。具有疾病特异性表型的细胞疾病模型建立后,通常使用三种主要策略:高通量筛选、候选药物方法或患者特异性疗法。在高通量筛选中,在分化的细胞上进行大量化合物测试,根据细胞表型对化合物进行评估和优化。在有效化合物的筛选上,由于iPSC所构建的疾病模型能够更精准地反映出疾病相关细胞的状态及表型,提供更加接近临床的药物数据,因而在高通量筛选及药物优化上都发挥着重要的作用。


建立iPSC细胞库


       由于获得高质量的病人特异iPSC需要大量的时间和费用,因而在iPSC的临床应用方面,可以采取两个策略。第一,建立人群内高人类白细胞抗原(HLA)配型比例的iPSC或ESC细胞库,用尽量少的细胞系覆盖尽量多的人群。第二,根据临床需求,对个体化iPSC细胞库的分化衍生细胞建立子库。目前,日本、欧洲、美国,以及中国都在积极开展高HLA配型的iPSC细胞库项目。


       iPSC的临床应用刚开始发展,产业应用尚属早期阶段。医疗级的应用包括:疾病治疗、器官移植、生物修复等,也可以通过细胞生产需要的产物,如血小板等,以及应用患者的诱导 iPSC筛选药物。除了在医疗级应用,iPSC技术在科研服务、新药筛选以及消费级的应用方面也逐渐崭露头角。


       我国诱导干细胞领域也是紧跟国际步伐,发明专利申请也与全球专利申请趋势基本一致,授权率基本维持在40%-50%之间。自2015年7月起,国内干细胞按药品、技术管理的“类双轨制”监管政策下,至今国家卫健委已备案开展了约100个地方医疗机构临床研究项目。


640.webp (2).jpg


中国诱导多能干细胞发明专利总体趋势图


我们离重塑“新生”还有多远?


       iPSC技术让已经分化的具有特定功能的细胞重新编程,返回到胚胎时期未分化的状态,人类是否可以像蝾螈一样生长?这一“逆天改命”的技术让很多人看到重塑新生的曙光,然而在研发和应用iPSC的过程中,科学家还面临着众多挑战。


       就临床转化而言,山中伸弥教授认为诱导多能干细胞面临着三大考验:致瘤性、免疫原性以及异质性。诱导多能干细胞的无限增殖潜能是把双刃剑。iPSC的诱导过程和肿瘤的发生过程非常相似,而iPSC是将“激活”的癌基因(而且还不止一个)转入了体细胞,其中,c-MYC和KLF4是原癌基因,SOX2、NANOG和OCT3/4基因也都参与了肿瘤的形成。


       此外,理论上iPSC具有免疫优势,应该没有任何免疫排斥的。然而科学家发现iPSC在体外培养多代,要用于治疗又会有一个重新分化的过程,从成体细胞去分化,到体外培养,再到重新分化,这个过程中难保不会发生免疫原性的变化。


       此外,初始状态的多能干细胞在异质性方面面临着两个很重要的问题:第一,回到初始状态的多能干细胞更容易出现染色体异常。第二,细胞回到启动状态时会被重新甲基化,这一过程中大多数印迹基因会被抹去,从而产生不良后果。


       最后便是诱导效率的问题,iPSC诱导效率需要满足临床需求,且诱导出来的iPSC需要具备多能分化潜力,如果诱导效率过低、临床使用成本高、操作难度大、iPSC的干性不足导致分化潜力过低,那么iPSC的应用也将受到限制。


       美国生物学家乔治戴利曾说道:“如果20世纪是药物治疗时代,那么21世纪就是细胞治疗的时代。无论是利用自身细胞抗癌的‘肿瘤细胞免疫治疗’还是万能的‘干细胞治疗’,都代表着未来医学发展的重要方向。”诱导干细胞广阔的临床应用前景不言而喻,尽管诱导多能干细胞目前还面临着重重挑战,但小二相信,未来诱导多能干细胞终将为开辟药物诱导细胞命运转变提供新方向,推动生物医药行业的发展。


×