表皮干细胞在临床上有什么应用-表皮干细胞是单能干细胞吗

在生物体中,一些组织和器官往往含有一种“特殊”细胞,这种细胞可以**和替换生物体生命中因衰老或损伤而丢失的细胞。这些细胞就是“干细胞”。例如,肠细胞每7天更新一次,而皮肤表皮细胞每1个月更新一次。在医学上,干细胞治疗在各种疾病中开展了广泛的临床研究。

回顾国际知名期刊NEJM(新英格兰医学杂志)的一篇经典综述文献,我们将对干细胞的应用做一个普及性的研究,重点是皮肤、心脏、眼睛、骨骼肌、神经组织、胰腺和血液。

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皮肤的应用

基于基因工程的干细胞疗法现在可以治疗一些遗传性皮肤病,其中最重要的是大疱性表皮松解症。大疱性表皮松解症(以皮肤和粘膜的慢性糜烂和溃疡为特征)是一种严重的遗传性水疱病。大疱性表皮松解症是由胶原蛋白和层粘连蛋白的编码基因突变引起的,胶原蛋白和层粘连蛋白是维持皮肤结构完整性的细胞外基质的必要成分。

用干细胞治疗和修复表皮

2017年,国际知名学术期刊《自然》报道了案例用转基因干细胞成功治疗一名7岁大疱性表皮松解症男孩的病例。De Luca和他的同事报告说,在将转基因干细胞植入患有大疱性表皮松解症的7岁男孩体内后,产生了80%的皮肤。基本上,方法从异常皮肤上收集了2厘米2厘米的活检标本,并对组织特异性干细胞进行基因工程改造,使其表达正常的层粘连蛋白。对男孩的治疗成功,要归功于一群自我更新“成人”表皮角质细胞干细胞(holoclone),可以在培养基中长期培养而不丧失干细胞特性。

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心脏的应用

最常见和威胁生命的心脏病是心肌梗死,因为心肌细胞的再生能力非常有限。曾经有个大人物说过,心脏里含有专门的干细胞,可以广泛替代丢失的心肌细胞。这一观点受到了《小鼠细胞谱系追踪研究》(中科院青年科学家周斌的代表作)的质疑和反驳。

将干细胞移植到心脏是非常困难和具有挑战性的。各种细胞替代策略被认为是治疗心脏病的潜在选择。目前已开展干细胞相关临床试验近200项。常见的有骨髓来源的单核细胞和间充质干细胞,它们通常不能再生成人组织(如心脏组织)。几项大规模、随机、安慰剂对照试验已经达成共识,尽管间充质干细胞是安全的,但它们不能产生长期的治疗益处。

用干细胞治疗心肌梗塞动物

非人灵长类动物心肌梗死后,将ESC衍生的心肌细胞移植到其体内北京干细胞费用的研究产生了相互矛盾的结果:一项研究显示心肌修复,但伴有室性心律失常,而另一项研究没有显示心肌再生。在为期18个月的I期临床试验报告中,将ESC衍生的心血管祖细胞移植到心力衰竭患者体内是安全的,并且心肌收缩功能得到增强。促进如何移植心肌细胞的机电功能整合是我们面临的重要挑战。目前,干细胞在心脏疾病中的主要应用仍然是研究心脏疾病的发病机制和筛选心脏药物。

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眼睛的应用

眼干细胞疗法用于治疗与视力丧失相关的疾病,包括色素性视网膜炎和角膜缘干细胞缺乏症。在我们的眼睛中,视网膜是位于眼睛内表面的感光神经层,它取决于底层视网膜色素上皮(RPE)的完整性。年龄相关性黄斑变性的特征是RPE逐渐丧失,随后黄斑内的光感受器死亡,影响视力,甚至导致失明。

目前,方法对于干性黄斑变性没有很好的治疗方法。视网膜下RPE的移植面临许多挑战。研究人员将新的RPE移植到年龄相关性黄斑变性早期(即感光细胞完全丧失之前)动物的黄斑中,功能丧失。

调的RPE被替代,动物的视力恢复。在老年性黄斑变性的晚期,细胞疗法除移植RPE细胞之外,还需要移植感光细胞(或可分化成感光细胞的细胞)。

视网膜色素上皮的修复

多能干细胞来源的RPE细胞以细胞悬液的形式递送,或接种在细胞薄片上,然后通过外科手术植入。移植同种异体RPE细胞有引发免疫应答的风险。因此,可能需要采取免疫抑制治疗,持续至RPE修复即可。然而,日本有一项患者自体iPSC来源的RPE治疗老年性黄斑变性的临床试验被终止,原因是培养的iPSC在扩增过程中发生潜在致癌突变。多能干细胞来源的RPE细胞在动物视网膜变性临床研究中恢复了动物视力,并且已在美国、中国、以色列、英国、韩国和日本进行了1期临床试验。

受损角膜的修复

除了RPE的修复,角膜和晶状体的修复也取得了进展。2015年,一种能够在物理损伤或化学烧伤后修复角膜和恢复视力的“成体”组织特异性角膜缘干细胞制剂(即意大利凯西制药的“Holoclar”)获得了欧洲药品管理局的上市许可。

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骨骼肌方面的应用

骨骼肌占体重的40%。随着年龄增长,骨骼肌的质量和强度会逐渐下降,因而限制活动能力。除此之外,遗传性的肌肉萎缩症也会使我们行动不便。细胞疗法是对抗衰老或疾病引起肌肉缺失的一种手段。

肌肉干细胞(MuSC),也称为卫星细胞,具有强大的再生潜力,可以被触发自我更新,并长期有效地修复损伤。然而,在细胞培养基中扩增MuSC是很困难的,原因是其干细胞“干性”急剧丧失。由于培养的困难,导致肌肉干细胞的供应不足,限制了临床应用。

肌肉组织的修复

为了解决这种问题,研究人员采用**原位组织驻留的肌肉干细胞,这样将无须进行细胞分离、扩增和移植。目前,已经在小鼠身上进行了试验。理论上,患者来源的iPSC可无**供应自我更新的肌肉干细胞,从而可以在植入前进行基因置换或修正。

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神经组织方面的应用

在大多数哺乳动物中,大脑在子宫内发育大部分已完成,出生后只有一小部分神经组织持续发展。因为成人神经细胞的再生能力较弱,随着年龄增长,神经细胞退化严重,容易引起神经退行性疾病,比如帕金森、亨廷顿、视网膜退行性疾病等。

利用多能干细胞分化的多巴胺能神经元可以治疗帕金森病。其理由是经治疗后,纹状体多巴胺能功能和运动功能有所改善。理论上,只要重建患者大脑中的多巴胺能神经元,就可有效治疗帕金森病。在30年前,欧美及加拿大便有人尝试移植胎脑组织给病人。结果发现,尽管疗效因人而异,但胎脑细胞移植法确实能重建多巴胺能神经元。由于胎脑细胞来源的稀缺性,进行胎脑细胞移植并不太现实,且有巨大的伦理问题。因此,如何利用多能干细胞来修复神经组织是干细胞疗法的热门问题。

帕金森病的神经组织修复

除此之外,使用干细胞治疗其他神经系统适应证,也都在积极开展阶段。棘手的难题之一是脊髓损伤。目前,移植各种形式的神经干细胞和少突胶质细胞祖细胞后已经产生了轴突生长和神经连接的效果,并提出了修复和康复的希望,但尚未在严格的临床试验确立功能恢复的证据。

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胰腺方面的应用:糖尿病

糖尿病已经成为了中老年群体的常见病症,其病因主要是胰岛β细胞的衰竭,从而导致胰岛素的缺乏。1型糖尿病患病原因是胰岛β细胞遭到自身免疫破坏。在长期2型糖尿病,其病因主要是胰岛β细胞的衰竭,从而导致胰岛素的相对缺乏。针对这一点,研究人员尝试使用胚胎干细胞衍生成能够产生胰岛素分泌的β细胞,目前已经开展了动物和体外试验。

糖尿病的胰岛β细胞替代疗法

目前的胰岛β细胞递送策略,包括将胰腺内胚层祖细胞或成熟β细胞用具有免疫隔离胶囊封装(encapsulation),并且皮下放置胶囊,以便于监测和回收。通过胶囊封装可否防止免疫逃逸,避免损害移植物功能的炎症反应仍不得而知。

一旦成功,糖尿病患者再也不需要每天多次的监测自己的血糖水平。因为由干细胞衍生的β细胞可以自动监测体内血糖水平,将其控制在一个合理的范围内。

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血液方面的应用

红细胞、血小板、T细胞、NK细胞和造血干细胞属于人们探索比较多的多能干细胞来源的细胞产品。

红细胞和血小板可以解决患者输血时遇到的血液数量不够的问题。而由多能干细胞衍生出的免疫细胞(如T细胞和NK细胞)则在肿瘤治疗领域发挥着重要的作用。研究者侧重于利用可体外扩增、冷冻保存和分化成血小板的多能干细胞,并通过其制造巨核细胞群。巨核细胞可以长时间储存。最后,由巨核细胞制备血小板。需要注意的是,血小板分离、浓缩和清洗后,需要通过照射根除残留的巨核细胞。

放化疗后的血液重建

目前的CAR-T细胞治疗的基本流程,患者进行白细胞单采,分离制备T细胞,在体外进行基因改造,然后进行扩增,再重新回输至患者体内。这种操作既耗费时间,成本又高。

理论上,多能干细胞可以为CAR修饰提供源源不断的T淋巴细胞。同时,为了避免免疫应答,可以利用CRISPR-Cas9技术清除CAR-T细胞中的主要组织相容性复合体分子(MHC),最终形成“现货型”同种异体CAR-T产品,成本必将大大降低。

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结束语

干细胞疗法是当今医学研究最前沿也是最热门的方向之一,取得了令人兴奋的成果。每一项成功的临床试验,背后都有扎实的基础研究作为铺垫,其中涉及干细胞本身的生物学特性、适应症的选择,给药方式的选择,细胞的选择和给药的剂量,这些都是成功的非常关键因素。

我们如果能够从成功案例中总结制定一套完善的评价标准,便可将其推广到其他干细胞及基因治疗中,推动其发展。

参考资料:

[1]Stem Cells in the Treatment of Disease, NEJM (2019)

《自然 · 综述》:T细胞在衰老中的角色

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