知己知彼：简述制约间充质干细胞药物开发的关键技术
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干细胞领域的临床研究正在以快速的步伐稳健推进着，这是大势所趋。了解干细胞药物开发的关键要素，可以加速其产业化。
撰文：张磊
来源：干细胞者说
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干细胞疗法是指利用干细胞或其衍生的细胞，以特殊技术移植到体内，取代病人受损的细胞或通过招募内源性组织特异性干细胞进而产生新的组织，或发挥积极的免疫调节作用。但是，干细胞进入体内后，我们需要知道它们去了哪里，做了些什么？
干细胞药物挑战了传统医疗技术和药物开发的基本思想体系，但我们依然有能力从伦理学、安全性、有效性、质量可控性和技术经济可行性等方面入手。干细胞植入受者体内前，在体外对其进行筛选、观察、操作、模拟以及控制，有望突破制约干细胞药物开发的技术瓶颈。
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干细胞制剂开发的起点
尽管诸多实验室，都曾发布自己在干细胞领域的临床研究成果，而事实上，多数发表在顶级刊物上研究成果却难以重现。我们排除试剂、设备、操作等方面的客观因素，单单干细胞作为研究主体，其来源的差异对研究结果的判断影响就不容忽视。
1、干细胞供者遗传背景复杂干细胞供体的家族史、既往病史、性别、年龄、种族、血型、组织相容性抗原（HLA）、身体条件、生活习性，生存环境受各种物理、化学、生物因素的动态影响。世界上不存在两株遗传背景完全一致的干细胞。
2、不同组织来源干细胞生物学特性不同人体260多种组织均由干细胞分化而来，干细胞无处不在，有细胞活动的地方就有干细胞的身影。干细胞的组织来源非常丰富，包括胚胎、成体组织(骨髓、牙髓、毛囊、上皮、肌肉、血管、脂肪、神经等)、围产期组织（脐带、羊膜、胎盘、脐血等）中均含有干细胞。但是不同组织来源的同种细胞生物学特性具有异质性。
MSCs来源于不同组织
3、干细胞为动态活细胞目前临床上，包括抗生素、化学小分子、生物大分子在内的药物等均为结构和成分明确并相对稳定的体系。而干细胞是活细胞，具有异质性，其大小、形态具有一定的差异，在功能、行为、状态方面也不同。同种干细胞的在不同微环境中可以发挥不同作用。
供临床用干细胞种类（组织来源）的选择可考虑以下几方面：
1）无伦理问题；2）有稳定的组织来源；3）具有明确筛选指标和理论依据；4）符合规模化制备要求；5）体外过程可控性；6）安全性在可接受范围内。比起其他来源的干细胞，围产期组织来源干细胞为 0 岁细胞，更健康、更富有活力，免疫原性低，属于医疗废物组织再利用、无伦理学障碍，易于标准化制备，很好地解决了干细胞药物开发的组织来源问题。
以色列一家机构开发的胎盘干细胞药物获得了 EMA 和 FDA 许可开展人体临床试验，已进入III期临床阶段。 我国多个研发机构开发了脐带间充质干细胞制品，根据新药研究规范和干细胞的特性建立了质量标准，并获得了完备、规范的临床前药学、安全性和有效性评价数据，已经获得药监局默示许可，进入临床试验阶段。
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有效的评价技术是关键
1、干细胞药物的质量源于设计（QbD）：干细胞制品的质量高度，取决于工艺路线与产品形态的选择。针对干细胞特性（“异质性”、“动态性”）与临床制品要求（“均一性”、“稳定性”）之间的突出矛盾，以“标准化、自动化、规模化”为手段，预先定义好质量目标及工艺控制点进行系统性开发。例如，细胞制品工艺设计需要考虑：机械法还是酶法分离细胞，开放操作还是选择封闭工作站，选择手动传代还是连续自动扩增，选择2D还是3D培养，低分种率高代次及还是限定低代次，考虑异源血清还是无动物源性培养基，制剂是游离细胞形式还是与基质结合，产品新鲜细胞还是冻存制品，采用DMSO保护还是新型冻存剂，等等。总之，新药开发需要考虑未来30年的技术更新替代与竞争，整个新药开发过程风险守恒的特征，将前置的风险降低失败与反复带来总体资金与时间成本。有人指出，风险每后置一步其危害将放大20倍。2、质量可控性是基础和前提：干细胞组织来源多样，供者遗传背景复杂。干细胞细胞制备过程漫长（体外分离、纯化、扩增、诱导等），需要引入多种外来成分（抗生素、生长因子、抗体、胶原酶、蛋白酶、动物血清等）；可能存在污染的外源因子（细菌、支原体、病毒等）；体外操作过程，可能会引起风险（因干细胞的增殖潜能、分化潜能、生物学效力、组织相容性抗原、端粒酶、核型、原癌抑癌基因等发生改变带来）；在其他过程（保存、运输、复苏、配制）中，细胞制品的存活率、生物学效力等均可能变化。
在细胞制品缺乏有效的质控方法和制备标准情况下，干细胞临床应用的安全性和有效性是无法实现的。
3、干细胞制剂缺乏有效性评价指标：目前，临床上一般采用活细胞计数法决定输注干细胞数量，在个别病人身上干细胞治疗似乎显现出了“神奇”的效果，而更多患者身上则无效。
事实上，干细胞的体外操作是一个动态过程，活细胞数量并不能有效反映干细胞的生理状况的改变，有人甚至将处死的干细胞输注到动物体内获得了与输注活细胞相当的实验结果。干细胞的有效性与其分化潜能、倍增时间、分泌因子、世代数、归巢特性等如何相关联？这里需要引入一个可量化的干细胞的定义单位——生物学效力（biological potency）。
干细胞生物学效力
生物学效力或称为“效价”，是一个评价生物药物有效性的重要指标，用来测量药物产生特定生理功能的浓度或数量；生物药物的物理数量（质量）往往无法直接代表其生物学效力，如蛋白质失活后含量不变效力下降，一般需要重新定义效价单位作为金标准来衡量其生物学效力。
例如：通常用抑菌试验的半数抑制微生物生长的最高稀释度测量抗生素效价单位，用细胞病变抑制法（CPE）测量能抑制50％细胞病变或50％病毒空斑形成效应的最高稀释度来测量干扰素（IFN）活性单位。
（一）干细胞生物学效力要求a. 效力指标设定，需要找出与临床治疗效应相关的关键机理通路，能够真实反映量效关系，要考虑到干细胞是多靶点、多通路的；
b. 效力指标设定，需要能够代表细胞制品在制备过程中与临床使用时具有一致性；
c. 效力指标设定，应是优化的，最好用体外试验来替代动物模型，要求操作便捷、能够成为制品放行标准；
d. 效力指标设定，应通过分析方法学验证：线性、范围、准确度、精密度（包括重复性和重现性）、检测限/定量限和耐用性等；
细胞表面标志物，可用来鉴别干细胞种类，评价干细胞纯度，但无法反映细胞的生物学功能，甚至无法区分细胞死活。诱导分化试验，虽比较直接，但是很难定量，而且周期长、变异性大。miRNA及因子表达直接测定，难以反映体内状况。
（二）干细胞生物学效力测定法制定a. 考虑将干细胞置于“激活”状态，而非简单的体外培养或保存条件下，如模拟组织损伤微环境；
b. 观测“激活”前后干细胞行为差异，研究这些差异与干细胞分化、抗炎、抗凋亡潜能之间的关系；
c. 建立用于评估生物学活性的刺激系统, 筛选与目标疾病治疗相关的关键作用因子；
d. 最终开发出干细胞生物学效力测定方法、建立放行标准。
动物模型建立原则
实验动物模型困扰干细胞临床前安全性和有效性评价: 实验动物常用来评价新药的体内分布、代谢，有效性、急性毒性、特殊毒性、长期毒性等，为新药人体临床观察提供基础数据。
动物模型建立的一般原则：a. 动物模型构建，应尽可能近似于人类疾病的情况；b. 动物模型应该是可重复的，可以标准化的；c. 动物模型构建，应特异地、可靠地反映疾病机能、代谢、结构变化和主要症状和体征；d. 动物模型构建，应尽量考虑到临床应用和疾病的发展；e.动物模型构建，所采用的方法应符合可行性和经济原则。
目前，动物模型是否能为临床研究提供有效参考仍值得怀疑。原因如下：a. 干细胞可增殖、可分化，可被排斥，不符合一般药物代谢规律；b. 干细胞具有种属特异性，异种干细胞植入难以说明问题，同种植入供试品又与未来临床试验不一致；c. 干细胞组织配型（不相合、半相合，相合）试验难以实现；d. 活细胞示踪试验，可能造成干细胞生物特征发生改变，定植、分化、转归、追踪等困难；e. 干细胞进入体内后组织归巢、病理性归巢的规律如何？是如何定植、分化的？f. 动物生命周期短暂，不足以体现人类干细胞长期植入后果。
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风险控制预案是成功的保障
干细胞药物开发与化学结构明确分子药物（化学药物、抗生素、蛋白质药物等些）有着很大的不同，挑战了传统药物开发的一些基本理念和规律，人类对干细胞的认识尚处在相对初级的阶段。
作用机制
干细胞作用机制复杂，并没有非常明确。例如：干细胞是直接定植分化参与组织修复，还是通过分泌细胞因子改变微环境发挥机体调节作用？激活了宿主内源性干细胞进行组织修复，还是与宿主细胞相互作用改变机体细胞状态？干细胞体外培养特性与体内生物学行为是否一致？动物试验结果能否用于预测干细胞在人体内的作用？自体干细胞与异体干细胞植入的区别？
移植后体内命运
以MSCs为例，干细胞进入体内后组织归巢、病理性归巢的规律如何，是如何定植、分化的，还是被免疫清除？如果干细胞在体内非靶器官、靶组织“归巢”，非目的性“分化”，产生非需要生物学效应，引起持续不良后果如何终止？
目前认为，MSCs 不能在体内长期存活，临床试验显示安全性方面表现良好。
有效性不确定
干细胞治疗/移植疗效与病人的病种、病程、身体状况、组织配型，年龄、种族、性别、习惯、经历，以及移植细胞数量或输注途径等之间存在怎样的关系？如何确定量效关系？
不良反应
目前报道最多的细胞使用后出现的不良反应是，一系列发热、寒战，绝大多数不需要特殊处理；也有少数人出现嗜睡、兴奋、恶心、呕吐等症状；极个别的患者可能出现皮疹等过敏反应。造血干细胞移植后会出现GVHD，应用MSCs可以治疗GVHD。应用 iPSC或 ESC分化后的神经细胞等可能会出现囊肿，也有报道曾提到使用流产胚胎来源的细胞治疗，导致了肿瘤形成。
适应症和人群选择建议
适应症和人群选择建议，包括：a. 无有效手段控制疾病进程者；b. 有突破现有手段局限性的理论依据；c.干细胞治疗带来可能利益明显大于潜在风险；d. 肿瘤患者或肿瘤高危人群；e. 是否明确HLA配型（相合、半相合）；f. 孕妇等特殊群体；g. 能否做到长期随访。
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文末小结
干细胞技术让传统医疗手段无效的患者重新燃起希望，但干细胞治疗也犹如开启了“潘多拉魔盒”，人们充满了好奇、期待和恐惧。恐惧源自于结果的不确定性，只有我们对最差的状况有了充分的估计和应对准备，把风险被控制在可以接受的范围内，人们才能充分享受新技术带来的福祉。必须承认的是，在某些特殊情况下，干细胞技术临床应用可能先于新药开发程序完成，这就是所谓的“医疗新技术”，医学史上有不少这样的例子。
如何配合科学界与管理机构监督干细胞治疗的规范性，是一个值得认真考虑的问题。我们必须清醒地认识到，从干细胞研究到临床应用还要经过一个漫长的发展过程。
面对具有无限潜力的干细胞研究和应用前景，科学界、临床工作者、产业界以及广大受试者，都需要保持一个现实的态度，需要耐心与理解，需要承担各自的责任，互相配合，以保证科学研究与临床应用能够在最有利的环境中进行。
注：本文已刊登于《间充质干细胞基础与临床（第二版）》一书，当当可购
1. 耿洁，张磊，韩之波，王有为，王斌，韩忠朝：临床用间充质干细胞的质量研究，中国医药生物技术，2013,8(3):225-230
2. 耿洁，张磊，王斌，韩忠朝:人脐带间充质干细胞注射液的长期稳定性研究,中国医药生物技术，2013,8(3):230-2343.Galipeau J, etc.International Society for Cellular Therapy perspective on immune functionalassays for mesenchymal stromal cells as potency release criterion for advancedphase clinical trials. Cytotherapy. 2016.18(2):151-9相关链接
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