干细胞治疗：医疗史上的第三次革命
作者 l 王晶晶 来源 l 维渡纵横（WeDimension）
干细胞是当今生物医学领域最热门的领域之一，其具有自我更新能力、多向分化潜能和高度增殖能力等多种生物学特性。因此，干细胞可能颠覆常规治疗手段，在治疗多种重大疾病方面有着极大潜能，被称为医学界的“万用细胞”。
干细胞(stem cells，SC)是人或动物从受精卵到成体的发育过程中，在胚胎或成熟组织中存在的一类具有无限或者相对持久的自我更新能力和多向分化潜能的细胞。干细胞用途广泛，建立动物和人类疾病模型、用于药物开发和筛选；再生医学领域应用于细胞组织和器官的修复和移植治疗、基因治疗以及美容抗衰老。本文从干细胞市场情况、种类、成药性、国内政策环境、专利情况、临床应用及干细胞成药目前面临的挑战等方面进行阐述。
一
干细胞市场潜力
目前，从上游的干细胞存储、中游的干细胞药物开发到下游的干细胞治疗，围绕干细胞的产业链体系已初具规模。
整个干细胞市场规模巨大，根据Market Research和Transparency Market Research研究显示，2020年全球市场预计超过1700亿美元；从市场分布来看，北美是全球最大的干细胞市场，西欧和亚太的市场占比分别为38%和17%。
来源：动脉网
据前瞻产业研究院数据显示，2020年我国干细胞治疗产业市场规模将超1400亿元，年复合增长率超过30%。
来源：动脉网
干细胞治疗疾病的原理体现在两个方面：
干细胞分化疗法，干细胞通过体外提纯、增殖、定向培养，然后注入到病变的组织内，在目标组织内的微环境的作用下，长出新的细胞与组织，弥补组织细胞的衰老、死亡、损伤，使得病变的组织与细胞恢复健康。
干细胞分化疗法
干细胞旁分泌疗法，干细胞注入目标组织后，可以通过分泌出各种蛋白质、酶与因子，来促进现有组织祖细胞分化成组织细胞修复受损组织与生长新的组织。
旁分泌疗法
二
干细胞的种类
干细胞制剂作为干细胞临床应用的产品，主要包括人成体干细胞和多能干细胞。
01
成体干细胞
人成体干细胞是指存在于一种已经分化组织中的未分化细胞，这种细胞能够自我更新并且能够特化形成组成该类型组织的细胞。成体干细胞存在于机体的各种组织器官中。人成体干细胞包括各种组织来源的造血干细胞、间充质干细胞、神经干细胞和各种类型的祖细胞。临床应用或研究较为广泛的成体干细胞包括造血干细胞和间充质干细胞等。
成体干细胞的研究始于20世纪60年代人们对造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSCs)的研究。HSCs 是血液系统中的成体干细胞，是一个异质性的群体，具有长期自我更新的能力和分化成各类成熟血细胞的潜能，是目前研究得最为清楚、应用最为成熟的成体干细胞。临床治疗中，造血干细胞移植广泛应用于血液系统疾病以及自身免疫疾病。
>>> 间充质干细胞
间充质干细胞（Mesenchymal stem cells，MSCs）是一类来源于人体中胚层、存在于多种组织（骨髓、脐带、胎盘、脂肪组织等）、具有多向分化和自我更新潜能的非造血类干细胞。间充质干细胞具有特殊的免疫调控特性，能够多方面同时进行作用，对某些免疫性疾病如多发性硬化症进行调控治疗。
02
多能干细胞
多能干细胞（pluripotent stem cell, PSC）包括胚胎干细胞（embryonic stem cells, ESCs）和诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）。
>>> 胚胎干细胞
胚胎干细胞（ESC）是从早期胚胎（原肠胚期之前）或原始性腺中分离出来的一类细胞，它具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。通过添加特定因子或小分子调控干细胞内信号通路，将人胚胎干细胞定向分化为各类型细胞，如神经元细胞、胶质细胞、肝细胞、胰岛细胞、心肌细胞等其他类型的细胞。上述人胚胎干细胞来源功能细胞可以直接用于患者体内移植，也可先与细胞外基质等生物材料混合，通过生物3D打印制备具有一定外形和生物学功能的器官或组织，再用于患者体内移植。
>>> 诱导多能干细胞
2006年日本京都大学Shinya Yamanaka在世界著名学术杂志《细胞》上率先报道了诱导多能干细胞（iPSC）的研究。他们把Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4这四种转录因子基因克隆入病毒载体，然后引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。
03
成药性
干细胞制剂要想应用于临床治疗，需要经过组织材料获得、干细胞制备、体外细胞质量检测、体内动物试验评价和临床试验等过程，进行严格的细胞质量、安全性和生物学效应等方面检测。
成体干细胞获取相对容易，致瘤风险低，为目前研究比较多的干细胞治疗手段，但成体干细胞的体外扩增能力和分化潜能有限，限制了成体干细胞制剂的规模化生产和临床适应症的选择。
多能干细胞具有体外无限扩增和分化为所有三胚层细胞的能力，因此，在临床转化中比成体干细胞更具有应用价值。因多能干细胞具有致瘤性，要将其诱导分化为功能细胞进行临床应用。与人胚胎干细胞相比，诱导多能干细胞不同个体细胞的重编程能力和增殖分化能力差异较大，探索较优的生产工艺参数范围面临着较大挑战。人胚胎干细胞来源的功能细胞制备过程相对更易于实现标准化，有利于干细胞制剂的规模化生产，并形成质量稳定的产品，因此，人胚胎干细胞来源的功能细胞可能是目前最具有成药潜能的细胞。
三
政策环境
从2015年至今，国家各部委相继出台一系列支持干细胞技术研发与转化的政策及技术指导文件，旨在推动干细胞技术研发及临床转化。
2015-2020年干细胞政策及指导文件
四
全球专利情况
01
全球专利发展趋势
干细胞技术相关专利截至 2019年4月7日，共检索到 62491 件专利申请，分布于全球多个国家或地区。专利于 2002-2012年的十年间呈稳定增长趋势，2012-2015年干细胞技术发展快速，专利家族增长速度相比于 2002-2012 年的增长速度更快。专利家族增长速度的快慢和技术本身是否存在突破性进展通常与当下干细胞研究水平或相关政策有关。
全球干细胞相关专利家族在不同年份的申请量
02
全球专利区域分布
干细胞技术相关专利在不同国家或地区的申请量和该技术的应用与市场前景，以及国家政府对干细胞研究、开发及应用的政策有关。美、中、日、韩及欧洲是干细胞技术相关专利的主要申请国家或地区，其中美国以 11978件干细胞相关专利申请占全球专利申请总量的19.16%。中国以 10727 件专利申请位居第二。
03
全球专利产业链分布
干细胞技术所属的再生医学产业链分为上、中、下游，各个环节又可以细分到一些技术领域，其中，干细胞获取属于上游产业，其主要业务模式为脐带血干细胞、脐带间充质干细胞、脂肪干细胞等干细胞物质的采集及贮存，专利数量占比20%左右；干细胞增殖、干细胞诱导分化技术及产品研发属于中游产业，其主要业务模式为以干细胞产品制造或通过向医院提供干细胞技术体系并收取技术服务及技术使用权转让费获得收益，专利数量占比41%；各类干细胞移植、药物筛选及治疗美容业务属于下游产业，主要包括一些开展干细胞治疗的医疗机构和制药企业，专利数量占比39%。中下游干细胞制备和临床使用的专利共占比80%。
04
全球干细胞相关技术分布
据统计，Incopat 数据库检索到的干细胞技术有关的专利中，39.9%是干细胞基因编辑技术、细胞重编程方法以及干细胞的增殖、分化等干细胞技术；27.3%是细胞制剂以及细胞制剂在化妆品或治疗领域的应用技术。每年干细胞的基础技术专利公开的数量均在不同程度上高于干细胞应用技术的专利公开量，自 2015 年起干细胞应用技术的专利公开量开始大幅增长，其原因可能和干细胞基础技术的快速发展有关。
五
临床应用
01
眼科疾病
2012 年，美国先进细胞公司( advanced cell technology， ACT，后改名为 Astellas 公司) 在国际上首次开展人胚胎干细胞来源的视网膜色素上皮细胞移植治疗老年性黄斑变性和青少年黄斑变性临床试验，初步证明了干细胞治疗视网膜疾病的临床安全性。之后国内外开展了多个干细胞治疗视网膜疾病的临床研究，细胞来源包括人胚胎干细胞来源的视网膜色素上皮细胞、自体诱导多能干细胞来源的视网膜色素上皮细胞、异体来源的视网膜祖细胞等，针对的疾病包括老年性黄斑变性（干性或湿性）、青少年黄斑变性、视网膜色素变性等。由于成体视网膜祖细胞获取受限，并且批次间的质量和生物学特征一致性难以保证，所以人胚胎干细胞和诱导多能干细胞诱导分化为视网膜祖细胞将有较好的临床前景。但同时，对于细胞移植技术、长期疗效的维持、移植细胞与宿主的有效整合问题还需重点关注。
02
神经系统疾病
帕金森病、阿尔茨海默症、亨廷顿病、多发性硬化症等都是老年人神经系统常见退行性疾病，人胚胎干细胞、间充质干细胞、诱导多能干细胞、神经干细胞都可以分化得到多巴胺能神经元，用于退行性疾病的治疗，但如何选择最适合用于移植治疗的细胞、长期存活率、表型稳定性、纯度、成瘤性等问题仍需通过不断的研究去解决。2017年，中国科学院动物研究所和郑州大学第一附属医院联合开展人胚胎干细胞分化细胞治疗帕金森病的I/IIa期临床研究，也为我国能尽早实现通过干细胞治疗帕金森病带来了希望。
03
心血管疾病
心血管疾病是我国主要的死亡原因之一, 并且发病率呈逐年上升趋势。干细胞治疗可应用于急性心肌梗死、缺血性心肌病、心脏移植后出现的缺血再灌注损伤以及其他心血管疾病的治疗。间充质干细胞通过旁分泌机制，促进新生血管形成增加灌注，趋化其他细胞参与心肌修复等，改善心脏功能。而人胚胎干细胞、诱导多能干细胞都可以分化为心肌细胞，有望替代受损的心肌细胞，从而实现心脏的再生。
04
肝脏疾病
干细胞疗法作为一种新的医疗技术，在多种肝脏损伤和疾病中发挥重要作用。成熟肝细胞用来治疗代谢性和终末期肝脏疾病已经有很多临床前和临床研究。实验证明人胚胎干细胞可以分化为肝细胞，间充质干细胞也能够在特定的条件下通过分化生成肝样细胞，并参与肝脏疾病中的免疫调节、细胞增殖和损伤修复等。但从科学研究到临床应用的转变，还需要更深入的了解干细胞和肝脏生物学。
05
糖尿病
传统治疗方法通常没办法根治糖尿病，胰岛β细胞功能衰竭和胰岛素抵抗是糖尿病的主要机制，目前已有一些临床研究证实干细胞可通过改善胰岛β细胞功能、改善外周组织胰岛素抵抗达到改善血糖的目的，但干细胞治疗糖尿病还需要通过大样本的随机、双盲、对照试验来充分验证其临床有效性和安全性。同时，对干细胞治疗糖尿病分子调控机制的研究，以及干细胞规模化生产、免疫源性等问题还需要完善解决。
06
口腔医学
目前，牙髓、牙周膜、牙龈、牙囊等牙源性成体干细胞用于牙齿和牙周组织再生、颌面骨修复、血管再生等口腔医学的治疗，动物实验研究已逐渐成熟，开始探索干细胞联合新疗法对牙本质和牙髓再生的促进作用。乳牙牙髓干细胞作为理想的干细胞来源，在口腔干细胞移植治疗中有良好的应用前景。
六
全球研究进展
干细胞治疗的产业化还处于起步阶段。自2009年国际上首款干细胞药物获批上市以来，至今全球共有十余款干细胞药物上市，涉及的适应症包括急性心梗、退行性关节炎、移植物抗宿主病、克罗恩病、赫尔勒综合征、血栓闭塞性动脉炎等。欧洲、美国、加拿大、韩国、日本均已有干细胞药物上市，迈出了干细胞产业化发展的第一步。细胞来源包括不同组织来源的自体间充质干细胞、造血干细胞等，异体来源细胞较少，其中大多数为条件性批准。我国目前干细胞监管政策实行“双轨制”：1、作为医疗技术，向国家卫健委申报医疗机构/项目备案，截止2019年9月，干细胞临床研究备案机构118家，干细胞临床研究备案项目一百余项；2、作为药品（治疗用生物制品），报国家药监局申请上市。目前，我国还未有干细胞产品获批上市。
虽然全球干细胞作为药品上市目前还很少，但全球范围内有大量的干细胞临床试验正在进行。截至2020年9月, 美国ClinicalTrials网站(https://ClinicalTrials.gov)注册干细胞相关临床研究8100余项, 其中美国4026例, 欧洲1923例, 中国657例，仅次于美国和欧洲各国。成体干细胞占大部分，人胚干细胞来源和诱导多能干细胞来源的细胞产品也分别有百余项正在或已经完成的临床研究。我国目前共有11个干细胞产品通过新药注册申报获批进入临床研究，涉及的适应症包括炎症性肠炎、特发性肺纤维化、难治性急性移植物抗宿主病、类风湿关节炎、膝骨关节炎、缺血性脑卒中、糖尿病足溃疡、新冠肺炎引起的急性呼吸窘迫综合征等。细胞来源大部分是不同组织来源的间充质干细胞，以及人胚干细胞来源的M细胞、自体成体肺干细胞、脂肪间充质祖细胞。
全球代表性公司及干细胞产品概览
七
干细胞成药性的挑战
目前正在开展临床研究的干细胞产品包括来源于人胚胎干细胞（human embryonic stem cell，hESC）和人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cell，hiPSC）的细胞产品，也包括具有组织特异性分化能力的成体干细胞产品（以间充质干细胞居多）。其中 hESC和 hiPSC 均属于人多能干细胞（human pluripotent stem cell, hPSC）产品。下面分别介绍间充质干细胞和人多能干细胞成药面临的挑战。
01
间充质干细胞
间充质干细胞作为药品应用于临床需要按照药品的生产工艺和质量标准经药品审评中心审评才能批准上市。关键点主要包括以下几个方面：
生产用原材料主要包括供者细胞/组织和细胞分离、培养所需的试剂等。MSC 的功能受供者细胞和组织的健康程度、分离培养、保存运输方式影响很大。分离培养所需要的消化酶、培养基、生长因子、血清等原材料重点关注使用的必要性和合理性、尽量避免动物源性材料，高风险的原材料应进行残留量控制。
因分化增殖能力有限，规模化生产的批间一致性问题是重点； 工艺参数方面，细胞铺板密度、培养时间、选择合适的细胞群体倍增代次、过程控制措施等对产品质量的影响至关重要； MSC 制品多采用细胞冻存制剂，辅料、冻存降温速率等关键技术参数的研究。
分子标志物和分化潜能：根据细胞来源和培养方式, 尽量发掘和检测细胞的特异性标志物,综合评估细胞的生物学功能和临床应用潜力。 成瘤性：成瘤性是细胞治疗产品较大的风险之一，当前对于长时间存活于人体内的 MSC 的成瘤风险仍不明确。 鉴别和效价：MSC 的鉴别和效价测定是 MSC作为药物申报时质量研究的重点, 反映其有效性, 并可衡量批间差异。MSC 和宿主免疫细胞间的相互作用可能是预测MSC 体内效应的一个指标。MSC的分泌因子含量是反映其旁分泌作用的常用指标。 免疫调节功能：MSC的细胞数量、与免疫细胞的距离、受体的激活和炎症细胞因子的分泌与MSC的免疫调节功能有关。MSC产品的免疫调控功能需根据免疫学研究进展和产品质量研究的需要具体分析。 纯度和杂质：杂质主要包括非目标细胞和原材料残留等。采用有效方法对非目标细胞和高风险原材料的残留量进行控制。
02
多能干细胞
hPSC 来源细胞治疗产品的原材料多样、生产工艺复杂且质量变异性强，目前仍处于人体应用的安全性和有效性探索期。目前对干细胞产品风险评估的认知有限，一些特殊的细胞产品可能会突破现有标准体系，相关药学评价还需不断探索。关键点主要包括以下几个方面：
多能干细胞作为生产用原材料，需要建立多能干细胞库，开展传代稳定性研究，明确传代代次，并限定生产中使用的细胞代次。对于细胞因子、抗体、重组蛋白等其他原材料也应重点关注来源和质量。对于滋养层细胞和血清的使用，应尽量减少动物源的成分引入。
从起始细胞到胚层阶段、前体细胞、中间分化阶段和终末分化阶段细胞的精准调控；
终末分化细胞在扩增的同时如何控制其不再进一步分化或转分化；
细胞的遗传稳定性、外源因子或外源细胞可能的污染问题对安全性至关重要，也应重点关注。
微生物安全性：安全性是所有药品的首要关注点，细菌、真菌和支原体等微生物污染是导致临床试验出现严重不良反应的高危因素。
分子标志物和分化潜能：不能照搬文献报道的特定种类细胞的分子标记物，要对申报工艺生产的临床试验样品进行分子标志物研究。
成瘤性：是限制多能干细胞临床应用的主要因素，细胞增殖传代及分化过程的恶性转化、成品中残留的多能干细胞、诱导多能干细胞可能因基因编辑导致的基因突变和染色体变异等都可能导致成瘤，要通过控制细胞培养和定向诱导分化工艺，去除这些高成瘤因素。同时，建立有效的成瘤性检测方法。
纯度和杂质：与其他药品一样，纯度和杂质对药品的安全性和有效性至关重要，对于干细胞药物，应合理控制原材料残留和非目标细胞等杂质含量。
生物学活性：除常规的干细胞制品生物学活性检测之外，还应结合拟用于临床治疗作用机制的生物活性质控方法。
八
总结和展望
干细胞治疗研究仍需要攻克无数的难关, 需要大量的临床前和临床研究对细胞治疗的安全性和有效性进行全面评价。但是，伴随着干细胞科学的不断深入、干细胞技术的快速发展、干细胞监管法规的日益完善，干细胞技术在干细胞移植、干细胞新药、干细胞组织器官修复等众多领域的应用将越来越广泛，其所针对的适应证将逐年增加。国内外也涌现越来越多的干细胞研究企业，如：Mesoblast（MESO）、Osiris（OSIR）、Pluristem（PSTI）、Athersys（ATHX）、Vericel（VCEL）、BrainStorm（BCLI）、FCB-pharmicell、medipost、anterogen、汉氏联合、贝来生物、爱萨尔、西比曼、铂生卓越、北科生物、博雅控股、泽辉生物等，以及一些综合制药企业也开始发力干细胞治疗领域，如辉瑞、安斯泰来、天士力、九芝堂、复星医药等，争取将被誉为“人类医疗史上的第三次革命”的干细胞技术早日推向临床，成为解决众多临床未满足需求的重要主力军，为许多过去无计可施的疾病带来治疗的新希望。
[1] 朱迅.干细胞技术：全球医疗的下一个重大突破口[J].药学进展，2019,43(6):401-403.
[2] 侯爽爽，许效，王卫彬.干细胞技术的专利分析[J].药学进展，2019,43(6):437-445.
[3] 莫兆忠.基于专利分析的全球干细胞技术发展态势研究[J].科学技术创新，2019,08:133-134.
[4] 李婷，陈莉智，黄文华.干细胞的基础研究及其临床应用前景[J].中国医学物理学杂志，2019,36(11):1325-1329.
[5] 吴骏，王昱凯，王磊，等.人胚胎干细胞的临床转化研究进展[J].中国细胞生物学学报，2018,40(13):2116-2128.
[6] 刘勇.干细胞移植治疗视网膜变性疾病临床试验现状及前景[J].第三军医大学学报，2019,41(3):187-191.
[7] 汪凯，辛涛.干细胞治疗中枢神经系统退行性疾病研究进展[J].中华神经外科疾病研究杂志，2016,15(6):561-563.
[8] 卢加琪，韦薇，刘伯宁，罗建辉.间充质干细胞的研究进展与药学评价[J].药学学报，2019,54(7):1317-1324.
[9] 祝贺，郝捷，周琪，等.临床级干细胞库及干细胞制剂[J].生命科学，2016,28(8):895-901.
[10] 卢加琪.关于人多能干细胞来源细胞治疗产品药学评价的思考[J].药学学报（网络首发论文），2020.7.22.