细胞产品的升级版，基因改造干细胞
点击上方蓝色小字↑↑↑------“干细胞者说”，选关注，即可订阅本科普号。
潜心研究
我们将走的更远
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。国家的一系列相关政策也在为干细胞技术的发展提供了强大的支持与保障。基因改造也是干细胞技术未来发展的一个重要方向。
撰文：步步先生
来源：干细胞者说
● ● ●
干细胞，是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的未分化细胞，是体内形成各组织器官的原始细胞。从第一例干细胞移植到现在，干细胞领域发生了巨大变化。第一代是基于成体干细胞的疗法，第二代是基于多能干细胞的疗法，每种干细胞疗法都有着自身挑战。
1
干细胞基因改造为治疗药物干细胞本身可作为治疗药物，用于免疫肿瘤学、组织修复和遗传性疾病治疗等多种用途（目前，在肿瘤治疗和遗传病方面，造血干细胞的基因改造比较常见）。
在肿瘤治疗中，造血干细胞可以提供长期的抗原特异性免疫，而基于多能干细胞分化的造血干细胞可以提供抗原特异性免疫，作为细胞治疗成品使用。
在组织修复中，经过改造的干细胞可通过表达神经营养因子、抗炎性细胞因子或血管生成因子，从而促进组织的愈合和恢复。
在遗传性病治疗中，通常是将改造过的干细胞用于作为长期的酶替代物，以纠正或消除致病突变的影响。
因此，需找到合适的基因工程改造方法，才能确保整个治疗的安全性，同事使干细胞保持必要的持久性，达到足够的治疗效果。
用于肿瘤治疗
过继性细胞疗法已探索数十年，表达抗原特异性TCR或CAR的工程化T细胞在血液肿瘤治疗上，临床效果显著，其开发在如火如荼进行中。
FDA已经批准两种CAR-T细胞疗法，均为靶向CD19，分别是诺华公司的Kymriah （用于治疗B细胞急性淋巴细胞白血病）和 凯特公司的Yescarta（用于治疗复发/难治性弥漫性大B细胞淋巴瘤）。CAR提供的抗原特异性免疫，可以直接通过抗原抗体结合机制识别肿瘤抗原（独立于MHC的抗原提呈机制），避免了肿瘤细胞通过MHC下调的逃逸机制。
迄今为止，已获批的CAR-T 疗法的CAR具有相同的基本设计，属于第二或三代CAR技术。
[1] 细胞外为scFv的单链可变区用于识别特定抗原（例如CD19）
[2] scFv之后是间隔区和跨膜结构域
[3] 再之后是胞内共刺激结构域（例如CD28或4-1BB）
[4] 最后是CD3的γ链或ζ链。
如今CAR技术已经发展到第四代，仍正在不断进化以进一步提高功效和安全性。
干细胞应用于抗原特异性的抗肿瘤免疫：临床试验
TCR和CAR技术不仅可直接用于免疫细胞改造，也应用于直接改造干细胞中（诸如包括造血干细胞，间充质干细胞和多能干细胞等）。与CAR免疫细胞相比，CAR-造血干细胞的优势在于可以延长抗原特异性免疫反应效果，扩大其在治疗HIV和实体瘤中的应用。
近十年来，多能干细胞向免疫细胞定向分化技术已经取得长足进步。通过CAR技术改造多能干细胞，以期产生通用型细胞，即UCAR-T和UCAR-NK。
武田制药已获得授权将对京都大学的iPSC-CAR-T细胞技术平台进行开发和商业化，预期首次临床试验将在2021年进行。
iPSC–NK是另一类抗原特异性免疫治疗方法，iPSC来源的CAR-NK细胞的抗肿瘤作用也与CAR-T相当，但毒性较低，可能是由于细胞因子释放期较短。iPSC-NK细胞疗法刚刚开始临床试验，iPSC来源的CAR-NK细胞疗法更处于临床前研究的早期阶段。
内源性组织修复
经过改造的干细胞本身可作为治疗药物，通常是通过自身过表达神经营养因子、趋化因子、抗炎症分子、血管生成因子，有助于组织恢复和内源性修复。利用下一代干细胞技术治疗中枢神经系统疾病有很多案例，此处重点介绍两种正在临床试验中的药物。
第一项临床试验药物是：SanBio公司的SB623产品，用于治疗慢性缺血性中风和脑外伤。细胞来源是异体BMSCs，通过瞬时转染Notch胞内结构域制备而成，可提供营养支持并促进内源性NSC的迁移和分化。SB623在美国、欧洲和日本三地正在进行创伤性脑损伤 II 期临床试验评估。
第二项临床试验（NCT02943850）是针对肌萎缩性侧索硬化症（ALS）患者的，处于I/IIa期阶段。细胞来源自神经祖细胞，通过基因改造可过表达GDNF（胶质细胞源性神经营养因子）。
在治疗动脉粥样硬化的探索中，将过表达VEGF或HGF的MSCs细胞嵌入血管支架中，可以加速血管重新内皮化，并降低支架植入手术后血管再狭窄的发生率。而在心脏病领域，由于众所周知的原因（打了好几架，干细胞治心脏病到底还靠不靠谱？附点评）导致心脏干细胞领域多篇重要论文被撤，令干细胞疗法在这方面的临床研究停滞不前。
基因治疗
基因治疗旨在为具有遗传突变疾病的患者提供功能正常的基因替代物。目前，造血干细胞基因疗法是临床研究的重点领域，可作为治疗遗传性血液病、原发性免疫缺陷等疾病的可选途径。
通常做法是，将患者自体HSC分离后用含有野生型基因的病毒载体进行转染，再改造后的HSC回输回患者体内，提供长期基因功能纠正。
Strimvelis（由GSK公司开发，现由Orchard Therapeutics出售）是一种基于CD34 +细胞的自体干细胞疗法，其中的HSC通过编码ADA酶（腺苷脱氨酶）的逆转录病毒进行了转导。在2016年，Strimvelis 疗法成为第一个被EMA批准用于ADA-SCID治疗的干细胞基因疗法。Zyntelgo 疗法（由Bluebird Bio 公司开发的一种基于CD34 +细胞的干细胞基因疗法）现在也已被EMA批准用于治疗β地中海贫血症。
除造血干细胞外，治疗遗传性疾病的干细胞基因疗法也在探索中。大疱性表皮松懈皮肤病的基因治疗就是其中一种。
基因编辑
基因编辑干细胞疗法分为两类：一类是功能获得型，通过对干细胞的异常内源基因进行靶向编辑以纠正遗传突变，进而获得某种功能；另一类是功能消除型，通过破坏特定内源基因表达消除某种不利功能，改善机体健康。
目前，基于iPSC基因编辑疗法仍处于临床前研究阶段，基于HSC的基因编辑疗法已进入临床试验阶段，见下表。
基因编辑干细胞疗法应用：临床前和临床试验
功能获得型基因编辑疗法，最为典型的案例是地中海贫血症和镰刀贫血症的基因治疗。基因编辑的HSC疗法有三项I/II期试验正在进行中。Bioverativ与Sangamo两家公司合作使用ZFN技术（NCT03432364）治疗β地中海贫血，而Vertex Pharmaceuticals与CRISPR Therapeutics合作使用CRISPR–Cas9介导的方法同时治疗β地中海贫血（NCT03655678）和镰状细胞病（NCT03745287）。
功能清除型基因编辑疗法，一个典型的应用是通过对自体来源的HSC的CCR5基因进行编辑以获得无HIV感染的免疫系统。Sangamo公司目前正在进行一项I期临床，在HIV患者的CD34+ HSC中进行ZFN介导的CCR5编辑（NCT02500849），相比直接在人类胚胎中编辑CCR5（He jiankui事件，导致基因编辑婴儿的出生）的做法，在HSC中进行基因编辑更安全且无伦理争议。
功能清除型基因编辑疗法的另一类应用是，通过基因编辑降低细胞药物的免疫原性。多能干细胞的免疫原性是再生医学的一个主要障碍，限制了很多干细胞疗法的应用。研究表明，如果降低多能干细胞中的HLA分子的表达，则可以大大降低多能干细胞及其分化后细胞的免疫原性。
[1]过表达HLA-E或HLA-G可有助于避免NK细胞介导的裂解。
[2]过表达CD47可避免巨噬细胞诱导的吞噬作用。
[3]表达CTLA-4-Ig或PD-L1等免疫检查点抑制分子可提高免疫耐受度。
基因编辑干细胞疗法的一个终极目标是，让多能干细胞及其分化后代在所有治疗中具有免疫相容性，而无需考虑HLA，这样才真正有潜力作为所有细胞疗法的初始材料。例如，CRISPR Therapeutics与Viacyte公司合作，正在利用CRISPR基因编辑技术，体外编辑胚胎干细胞系（CyT49）的免疫调节基因，既可以避免免疫系统攻击，这有可能使胰岛β细胞替代产品为T1DM患者带来持久的益处并且不会引发免疫反应。我们以前的文章也谈到过（治愈糖尿病的新希望：胰岛细胞微囊化）。
2文末小结语
基因改造干细胞疗法，主要是利用基因编辑技术将干细胞改造后，用于肿瘤治疗、组织修复和遗传性病治疗等。例如，在肿瘤治疗中，基因改造的造血干细胞可以提供抗原特异性免疫，用于细胞治疗；在组织修复中，基因改造的干细胞可过表达神经营养因子、抗炎性细胞因子和血管生成因子等，促进组织愈合和功能恢复；在遗传病治疗中，基因改造过的干细胞可作为长期酶替代物，以纠正或消除致病突变的影响。
在开发过程中，细胞工程技术对于基因改造干细胞疗法的临床转化至关重要，如病毒转导技术和CRISPR–Cas等基因编辑技术，对于此类新型疗法的临床转化至关重要。目前，化学和光遗传学技术的发展也为干细胞产品带来了调控命运和活性的新手段。加快向临床转化的速度，大大扩宽干细胞治疗用途。
参考资料：
Kimbrel, E.A., Lanza, R. Next-generation stem cells — ushering in a new era of cell-based therapies. Nat Rev Drug Discov (2020).相关科普：
— END —
干细胞者说
- 科普 情怀 责任 -