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干细胞技术在不断地发展，科学家们不断取得新成果。了解其背后的科学依据和临床现状，有助于行业内外对此进行重新审视。今天，我们分析总结一下干细胞疗法到底能在哪些用途上发光发热。
撰文：步步先生
来源：干细胞者说
● ● ●干细胞疗法是指利用干细胞或干细胞衍生的细胞，以特殊技术移植到体内，取代或修复病人受损的细胞、组织或器官。近三十年来，干细胞临床应用发展的趋势很快。尽管与细胞治疗相关的临床实验注册数目呈现指数型增长。然而，真正有效的案例数目并不多，其背后的科学依据并不清楚，我们需要更加谨慎的审视。
国内外也充斥着各种干细胞治疗乱象，面对干细胞治疗的很多不确定性，我们应当理性看待。了解干细胞治疗背后的科学依据和临床现状，有助于行业内外对此进行重新审视。
今天借着两篇国际知名期刊的经典综述文献[1,2]，不吹不黑，我们科普一下干细胞到底能在哪些用途上发光发热。
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应用最成熟的干细胞：造血干细胞就目前而言，造血干细胞（Haematopoietic Stem Cells ,HSCs）是我们了解最多的成体干细胞，也是真正意义上的干细胞，可复制，亦可分化。临床上主要用于放疗/化疗之后补充造血干细胞，进而重塑整个造血系统和免疫系统。
在过去的20年里，造血干细胞基因疗法有效地治疗了单基因遗传病，诸如原发性免疫缺陷病、血红素病变及神经代谢紊乱等。2016年，欧盟批准了世界上第一项造血干细胞基因疗法的产品Strimvelis，用于治疗由腺苷脱氨酶（ADA）单基因引起的严重复合型免疫缺陷病。相关资讯：干细胞与基因疗法双剑合璧，科技跑赢了死神预计2020年底，大概会有 5 项造血干细胞基因疗法产品在欧美获批，进入临床应用。此外，还有20项针对不同基因遗传病的相关临床试验也在进行。
造血干细胞基因疗法治疗流程：
取病人骨髓和外周血，纯化CD34+造血干细胞，插入构建携带目标基因的病毒载体，得到健康造血干细胞，回输病人体内。
造血干细胞基因疗法治疗缺陷：
首先，治疗过程涉及：细胞收集、转运、编辑及保存，需建立完善的质量控制标准。
其次，病人移植前，需接受化疗来清除体内原有的造血干细胞。因此化疗的剂量控制也需要制定相应标准。
最后，使用γ-逆转录病毒基因修饰，病毒载体增强子可能会意外激活内源性原癌基因，引发恶性肿瘤。需改用慢病毒进行基因修饰，从而降低致癌风险。
造血干细胞基因疗法治疗红细胞遗传病难度很大（因为转入的基因很难实现持续可控地红细胞中特异性表达）。两项针对β-地中海贫血症的临床试验报告显示，接受治疗的病人病情可以缓解，有的甚至不再需要进行长期输血。一些早期实验的结果显示，造血干细胞基因疗法对镰刀形贫血症、慢性肉芽肿病和范可尼贫血症临床试验也有一定的效果。
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表皮干细胞（Epithelial stem cells，EpSC）是各种表皮细胞的祖先细胞，来源于胚胎的外胚层，是一种位于表皮基底层的成体干细胞。早期研究发现人表皮角质形成细胞中含有三种细胞类型，分别被称为holoclone, meroclone和paraclone，holoclone细胞是移植实验成功的关键。
1975年，人表皮角质形成细胞体外培养获得成功。随后，用于自体移植治疗大面积的烧伤患者。目前，人表皮角质形成细胞移植已经成为治疗三级烧伤的常规手段。表皮干细胞基因疗法现在已经可以治疗一些皮肤遗传病，其中最主要的便是大疱性表皮松解症。大疱性表皮松解症患者的皮肤在受到轻微摩擦后就会出现水疱和血疱，可能发生在身体任何部分，严重时还会导致指甲脱落等症状。2017年，著名学术期刊《Nature》报道了一个利用基因改造后的表皮干细胞成功治疗一个年仅7岁的大疱性表皮松解症男孩的案例。男孩身上80%的皮肤都植入了经基因工程改造后的表皮干细胞。
角膜缘细胞（ocular limbal cell）中也含有一种角膜上皮干细胞，这对于眼角膜的损伤修复至关重要。角膜缘细胞移植能够有效地促进角膜再生和视力恢复。通常情况下，从患者未受伤的眼睛中提取1-2平方毫米的角膜缘就能够进行体外培养，再生出完整的角膜上皮，进行自体移植到受伤的眼部。
2015年，欧盟批准的第一个干细胞药物——HOLOCLAR，就是将自体角膜缘上皮干细胞种植于纤维蛋白胶支架上的一种组织工程干细胞产品，用于治疗各种原因造成的中重度角膜缘干细胞缺乏症成人患者。相关资讯：欧洲第一款干细胞药物成功商业化的背后故事角膜缘细胞中也含有一部分holoclone细胞，但是克隆的大小、数目和细胞生长速率均不能够准确预测治疗效果。而转录因子p63作为一个重要的调控因子，可以帮助判断角膜缘培养中的holoclone干细胞含量。临床试验结果也表明，p63的表达水平与治疗效果呈正相关，这也是目前找到的唯一的与长期疗效相关的细胞分子标记物。因此，体外培养的表皮移植体中haloclone干细胞数目的多少决定了该移植体质量。
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肌肉细胞主要包括骨骼肌细胞和心肌细胞。骨骼肌和心肌细胞从胚胎发育来源和再生能力上来看具有较大差异。在损伤情况下，骨骼肌细胞具有较高的再生修复能力，而心肌细胞则不可再生。骨骼肌大约占体重的40%，成人肌肉干细胞具有强大的再生潜能，受损时可自我修复肌肉损伤。然而随着年龄的增加，骨骼肌的质量和强度会逐渐下降。由于成人肌肉干细胞培养难度比较大，因而限制了其临床应用。
1961年，Mauro发现肌卫星细胞，目前被认为是骨骼肌干细胞。其位于肌肉膜和基底层之间，高表达Pax7。骨骼肌干细胞（肌卫星细胞）在成年后便进入静息状态，只有在肌肉损伤时才会被再次激活，分化为肌原细胞修复肌肉纤维，同时自我更新，生成新的肌卫星细胞。
1990年，人们通过移植骨骼肌干细胞来治疗杜氏肌营养不良症。虽然，在患者体内可以检测到供体的骨骼肌干细胞，但治疗并没有效果，这或许是因移植的细胞存活率和迁移能力较低的原因。
除此之外，干细胞疗法可以针对治疗因衰老或疾病引起的肌肉萎缩。针对局部性的肌肉损伤修复的骨骼肌干细胞移植实验取得了一定的成效，比如括约肌失禁治疗等。
心肌干细胞一直没有广泛认可的特定细胞类型。2001年，一项研究声称骨髓移植有利于治疗心肌梗塞，然而这项研究是充满争议的，因为其他课题组却无法重复其研究结果。人们猜想骨髓基质细胞移植可能是通过旁分泌的方式促进心肌细胞的存活及血管生成来发挥作用的。另一项研究则表明，心脏细胞在人体发育过程中是可以分化为其他细胞的，但是在成年人体内不会发生。
利用多能干细胞（ESC和iPSC）分化获得的心肌前体细胞在动物体内实验有一定效果，能够可控分化成各种心脏细胞类型，但是面临体外细胞扩增困难和免疫排斥的问题，且容易引发心律失常。
另一种方案是直接促进内源性的心脏再生，避免细胞移植问题。比如，激活内源性的心肌祖细胞或者诱导纤维细胞转分化为心肌细胞，原位诱导细胞部分重编程或者使用外部的心脏补片。
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间充质干细胞（间充质基质细胞，Mesenchymal Stem/Stromal cell,MSCs）被广泛用于命名各种组织来源的贴壁生长的成纤维细胞群，甚至有些严格意义上并非是干细胞的细胞群。1976年，Freidenstein等首次发现在骨髓里存在一群非造血的骨髓基质细胞，呈克隆性贴壁生长，形态和成纤维细胞相似。由于这些细胞具有多能性，可以分化为中胚层组织，如肌肉、肌腱、韧带及脂肪组织等。1988年，Freidenstein和Owen 将其命名为间充质干细胞。严格意义上讲，并不准确。原因有二：第一，间充质是一种胚胎结缔组织，可生成各种结缔组织，血液和血管等。但出生后，间充质干细胞显然不具有这一特性。第二，不同的间充质干细胞来源于不同的特化神经嵴及中胚层。无论是在胚胎发育时期还是出生后，都不存在共同的间充质干细胞祖先。虽然间充质干细胞的理论基础不扎实，但不影响其实际应用。目前，间充质干细胞临床试验已经超过900项，用于治疗各种疾病。通常，间充质干细胞移植后会很快消失[3]，可能是通过旁分泌发挥功能。与传统意义上的干细胞移植治疗（用于组织再生）有很大不同。因此，有些专家认为其不属于干细胞治疗的范畴。越来越多证据表明间充质干细胞的治疗功效是基于其独特的免疫调控功能和血管再生功能，而非其“干性”。目前来看，间充质干细胞已成为全球开展临床研究项目数最多的细胞，全球也有近十款间充质干细胞药物上市，诸如用于治疗急性移植物抗宿主病的Temcell 产品，用于治疗克罗恩病的 Alofisel 产品等。干细胞的火爆伴随着干细胞乱象。很多人愿意付费进行一些未经审批注册的间充质干细胞治疗实验。他们使用未经纯化的骨髓（注：应该是BMMC）或者是吸脂吸出物（注：应该是SVF）直接进行移植。其结果存在很大风险，国际知名期刊NEJM有报道称有人在直接注射脂肪干细胞（可能是SVF）治疗黄斑变性之后出现急性失明[4]。可见，目前间充质干细胞治疗亟需规范化管理，其分类也亟需细化，不能一概而论。然而，值得注意的是，广义上的“间充质干细胞”中确实存在一些组织特异干/祖细胞。但是不应被笼统叫做为间充质干细胞，应该根据其来源和分化方向进行更为细致的分类。比如在脂肪干细胞，就是从脂肪组织中得到的一种间充质干细胞。再比如牙髓干细胞等等。目前，用于鉴定的细胞表面分子标记物也并不太靠谱。比如人体很多组织都存在CD146+（CD45-CD31- ）细胞，虽然来自不同组织，却具有共同的分子标记物，且都可在体外扩增。事实上，同为CD146+细胞，却在转录组和分化结果上差异却非常大，这就是组织特异性。不同来源的细胞只能分化为具有组织特定的细胞，而不能随意分化为其他谱系细胞。5
在哺乳动物中，大脑发育基本上在胚胎时期就已经完成了，只有一小部分神经组织在儿童期和成年期持续发展。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。胎儿细胞（Foetal cell）具有较强的再生能力，移植胎儿细胞可以取代退化的神经元。尽管这一疗法确实有效果，但是细胞来源非常困难，并且存在严重的伦理问题。
以帕金森病为例，患者因其多巴胺能神经元退化，分泌多巴胺水平过低，引起行动障碍。目前治疗手段是使用多巴胺能药物，但长期会产生一定的副作用（比如运动障碍和神经精神并发症）。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，如何开发多能干细胞来修复神经组织是干细胞疗法的热门研究问题。1998年首次报道人胚胎干细胞（ESC）培养成功，2007年首次报道人诱导的多能干细胞（iPSC）获得成功。目前已有实验表明，人胚胎干细胞可以诱导分化成类似多巴胺能神经元的细胞，这些细胞在功能上和分子表达谱上都与胎儿脑细胞非常相似，为临床应用提供了充分的理论依据。
目前，世界各地多家机构准备或已经开始相关临床试验，这将是攻克帕金森病或其他退行性疾病的重要一步。在中国，中科院动物所周琪院士团队开展相关临床试验，在方案中，研究人员把胚胎干细胞来源的神经前体细胞注入患者大脑纹状体，以期达到多巴胺神经元再生的效果。在日本，京都大学教授高桥良辅，也开展类似的工作，使用的是iPS细胞来源的多巴胺能祖细胞，以一名50多岁的男性帕金森病患者为对象实施了全球首例临床试验。
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。
通常，造血干细胞移植只需静脉输注即可，而表皮干细胞则需要局部移植，至于中枢神经系统相关的干细胞治疗更为复杂。最后，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。
任何事物的发展都将遇到挑战和阻碍，我们仍然相信干细胞治疗将克服困难，成为可靠的治疗方式。
参考资料：
[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, 2896–2902 (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)
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