靶向移植在干细胞治疗中的研究进展
撰文│陈冕
编辑│陈圆圆 郑天慧
审校│汤红明
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【据《Science Translational Medicine》2020 年6 月报道】题：局部干细胞移植在干细胞治疗中的应用（作者Nathan Norton Ng等）。
干细胞在受损组织的功能恢复以及疾病治疗方面显示出巨大的临床应用价值，其在糖尿病、心脏病、神经退行性疾病、自身免疫性疾病中均表现出良好的应用前景。尽管如此，干细胞疗法的临床转化还面临诸多挑战，其中之一便是干细胞的移植途径问题。研究表明，传统的静脉输注会导致大多数干细胞积聚在肺、脾脏和肝脏，难以到达靶器官，而越来越多的证据显示，直接将干细胞通过血管内（动脉内）、腔内（腹腔内和鼻内）或组织（肌内）输送到靶组织可提高其治疗效果。
过去几十年里不断精进的实体瘤介入治疗技术为细胞的靶向移植打下了夯实的基础。此篇文章主要介绍不同疾病中的靶向（局部）干细胞移植途径（图1），评估干细胞来源和给药途径对治疗效果的影响，分析细胞疗法在转化过程中的障碍。
一、常用的干细胞来源
在临床前和临床研究中，间充质干细胞（MSC）和单核细胞（MNC）被广泛用于不同器官的再生及修复。MSC来源广泛，可通过循环系统（血循环及淋巴循环）或者组织内基质及微毛细血管募集到炎症或损伤部位，并通过旁分泌作用来调节适应性免疫和天然免疫反应，参与组织修复和再生，促进血管生成。考虑到其对多种疾病的治疗作用及低免疫原性，MSC已成为细胞再生治疗中研究最广泛的干细胞来源。MNC则是从骨髓或外周血中分离出来的，其含量丰富，无需进行体外扩增即可使用，并可通过磁珠分选，选择特定亚群。除了具有旁分泌功能之外，也具有分化成其他细胞的能力，可介导组织再生和损伤修复。
二、不同来源细胞在多种疾病中的应用
1. 下肢动脉病变（PAD）
目前已有多项干细胞临床试验采用自体骨髓或外周血来源的MNC，以重建PAD患者血管，改善缺血肢体的灌注。BM-MNC可发挥旁分泌作用，增加局部血管生成因子（VEGF、b-FGF、血管生成素-1等）的浓度，促进血管生成。2018年的一篇meta分析显示，使用MNC可降低截肢率，促进溃疡愈合。
临床试验中通常采取腓肠肌内或股动脉内注射干细胞的方式来治疗PAD，肌内注射可使细胞短暂沉积到缺血组织中，被认为有助于旁分泌信号传导和细胞融合。动脉内给药可使干细胞进入氧气及营养充足的缺血区域周围，有利于移植细胞的存活。以上两种干细胞移植途径在PAD的临床试验中都具有不错的表现，由于缺乏大规模的随机对照试验，两种给药途径的优劣目前尚无定论。11项正在进行的细胞治疗PAD临床试验中，有9项采取靶向给药。
2. 心脏疾病（CD）
临床试验中用于CD治疗的细胞包括MNC、心肌干细胞（cardiac stem cell，CSC）、MSC以及hiPSC来源的心肌细胞。MNC和MSC可通过旁分泌因子（VEGF、IL-1、PDGF、胰岛素样生长因子1）作用于缺血心肌，缓解炎症反应，减少胶原沉积，抑制心肌细胞凋亡。此外还能分泌VEGF、bFGF和HGF，以促进梗死区的新生血管形成。BM-MNC的治疗效果目前还存在争议，一些研究认为其能改善左心室射血分数（LVEF），而有些研究结果则显示无明显差异。而在急性心肌梗死和缺血性心力衰竭中，MSC可显著改善左心室功能和每搏输出量。
心肌活检组织中获得的CSC可通过旁分泌作用促进内源性CSC增殖以及心脏特异性蛋白的表达。通过冠状动脉移植的CSC可穿过心脏血管壁进入梗死心肌并转分化为内皮细胞、平滑肌细胞，促进血管和梗死区心肌再生。研究表明，CSC可改善患者的LVEF，并促进局部心肌的收缩能力。由于通过活检获得的CSC数量较少，因此CSC/MSC联合疗法也被认为是一种替代方法。
临床前动物实验结果显示，iPSC来源的心肌细胞移植可促进血管生成，减少梗死面积、心室壁应力和心肌细胞凋亡。然而，目前还缺乏可量产hiPSC来源心肌细胞的标准化方案，此外其致瘤及致心律失常的风险，也让其临床转化受阻。
冠状动脉及心肌内注射是比较常见的细胞治疗CD的给药途径。冠状动脉移植的给药方式比心肌内注射的侵入性小，后者通常需要手术介入。然而有研究表明，心肌内注射干细胞与冠脉注射相比具有更高的滞留率（通常要高出3-5倍）。一项研究MSC治疗CD的meta分析表明，心内给药可以较大程度减少梗死面积以及改善LVEF，效果优于冠脉给药。对此，研究人员也在尝试优化心内注射的给药方式，以减少侵入性以及增加移植后细胞的滞留率。51项干细胞治疗CD的临床试验中，有45项采取靶向给药。
3. 肝脏疾病
MSC可通过旁分泌作用分泌IL-10、TNF-α、HGF、TGF-β3抑制纤维化肝星状细胞增殖，减少胶原蛋白合成，此外，MSC还可以通过Notch1信号通路诱导纤维化肝星状细胞凋亡。在急性肝损伤的临床前动物模型中，MSC还可发挥免疫调节作用抑制炎症反应。临床研究表明，MSC可改善肝功能且没有明显的不良事件。
尽管静脉给药是目前临床试验中最常见的干细胞移植途径，但其在靶器官中的滞留率低。据报道，通过门静脉和肝内动脉移植可以使更多的干细胞存留在肝损伤部位。临床试验结果表明，肝内注射对于患者MELD评分、白蛋白和总胆红素浓度方面的改善均显著优于静脉注射。临床上细胞治疗肝脏疾病的给药途径的选择主要还是基于细胞滞留率以及治疗效果方面的考虑。18项正在进行和招募的干细胞治疗肝脏疾病的临床试验中，有13项采取静脉注射。
4. 2型糖尿病（T2DM）
干细胞治疗2型糖尿病(T2DM)的研究大多采用MNC和MSC，并表现出一定的临床疗效，包括糖化血红蛋白(HbA1c)含量减少，C肽浓度增加，胰岛素需求量减少。MSC移植被认为可提高受体胰岛素敏感性，此外MSC还可通过分泌外泌体保护内源性胰岛，促进胰岛素分泌，修复胰岛结构，并通过PI3K/Akt通路刺激内源性胰岛细胞再生。
T2DM患者的干细胞动员存在一定问题，因此确定干细胞靶向输送的最佳路径将是实现其临床效益最大化的基础。迄今为止，针对2型糖尿病的给药途径的研究很少。Sood等的研究证明，与传统的静脉注射相比，动脉内给药可以促进MSC归巢，降低糖化血红蛋白水平，且受试者的胰岛素需求量也相对更少些，然而也有一项随机对照研究表明两种给药途径对于患者胰岛素需求量的影响并无显著差别。由于两项研究纳入的样本量较小，其结果还有待进一步验证。3项干细胞治疗T2DM的临床试验中，有1项采取靶向给药。
5. 脑卒中
早期细胞治疗中风的研究大多采用多能神经祖细胞或神经干细胞（NSC）。NSC可促进血管生成、轴突生长和小胶质细胞活化/增殖，促进神经再生并能进行免疫调节，减少炎症反应。如今，MNC和MSC也被广泛用于中风治疗。MNC和MSC可通过旁分泌作用及分泌细胞因子发挥免疫调节、神经保护和血管生成作用。临床试验结果表明，NSC、BM-MSC、UC-MSC以及外周血干细胞移植有望改善卒中，具体表现在神经功能缺陷评分（美国NIH卒中量表）、运动功能（Fugl-Meyer评估）、功能独立性（功能独立性测量）和日常生活能力（Barthel指数）等几个方面。
在动物研究中，细胞治疗卒中的给药途径通常使用静脉内、动脉内、鼻内、鞘内、颅内给药。静脉内给药和动脉内给药创伤小，但多项临床研究表明，采用脑内、颈动脉内和蛛网膜下腔移植比静脉移植效果更好。鼻内给药是一种无创的给药方式，避免了一些与血管内给药相关的问题，如细胞被外周器官截留、动脉栓塞。动物研究显示，MSC鼻内给药可减少梗死区细胞死亡，促进局部脑血流量、血管生成以及大脑皮层神经再生。13项正在进行的干细胞治疗脑卒中的临床试验中，有9项采取靶向给药。
6. 阿尔兹海默病（AD）
临床前研究显示，MSC可以促进M2型小胶质细胞的激活并表现出神经保护功能，减少氧化应激，减少炎症，促进神经发生，改善AD动物模型的空间学习能力以及AD相关的功能障碍。此外，MSC还可通过分泌因子以及抑制M1型小胶质细胞促炎活性促进β淀粉样蛋白降解。然而，目前已经完成的一项MSC治疗AD的临床试验结果显示，相对于传统治疗组，MSC移植并没有显著改善患者的认知能力，也没有表现出显著的神经保护效应。
MSC需要到达特定的区域才能发挥神经保护作用以及刺激神经元再生。脑室内注射可直接将MSC递送至目标区域，但需要进行脑部手术且不便于定期重复。相比之下，将MSC通过动脉输注减少了手术侵入且便于重复输注。在正常情况下，动脉注射的MSC无法穿过血脑屏障或进入大脑，然而在AD患者中，血脑屏障的结构和功能发生改变，有助于MSC进入脑内。9项正在进行的干细胞治疗AD的临床试验中，有4个采取靶向给药。
图1 干细胞在不同疾病中的靶向（局部）移植途径
三、干细胞靶向移植治疗的未来
靶向移植干细胞避免了静脉给药导致的细胞扩散和外周器官截留，提高靶器官中干细胞的滞留率。除了上述提到的几种疾病以外，干细胞靶向治疗也被尝试用于其他疾病，包括大疱性表皮松解症、系统性硬化症、多系统萎缩、肌萎缩性侧索硬化症等。
为了保证干细胞靶向移植治疗充分发挥其潜力，首先，需要成熟的辅助成像技术，包括多模态、光声、磁粒子成像技术等，以标记、监测和跟踪术中及术后的细胞，了解干细胞在体内的命运转归；其次，需要确定可靠的干细胞移植体系，建立必要的临床基础设施，保证细胞的精准移植，增加细胞在靶器官中的滞留，以提高细胞活力和治疗效果；最后，还需要一支经过专业培训的人才队伍，包括临床医生、生物学家、参与细胞制备质检的工作人员，在保证生产质量合规细胞的同时，还可以为患者提供细胞治疗的相关咨询服务，并能跟进患者随访，及时了解治疗后的患者健康状况。
干细胞靶向移植治疗作为一项医疗技术，其临床前研究结果被很多人看好，但目前的临床前动物模型还无法完全模拟人类疾病，一些在动物模型里有效的手段，在人体试验中却收效甚微。一来，动物的细胞给药剂量无法直接类推到人体；二来，临床患者可能本身存在其他基础疾病，而动物模型一般相对单纯，无法考虑到患者复杂的病因和临床表现；此外，患者的疾病严重程度以及联合用药等，都会影响干细胞治疗的效果。因此临床试验应该充分考虑受试者的情况，建立合适的入排标准，避免引入过多的干扰因素。
干细胞靶向移植治疗已受到越来越多关注。与传统的静脉全身给药方式相比，局部给药受到越来越多的支持。然而针对不同的疾病，还需更多的临床试验去确定最佳的给药途径和给药剂量。相信通过医生、生物学家、工程师以及其他相关从业人员的共同努力，有望在不久的将来在再生医学领域发挥重要作用。
（中国科学院成都生物研究所 陈冕报道）
（本文来源于《医学参考报》干细胞与再生医学频道2020-03期第7版文章，ID：yxckbsc2020030701。图片来源于网络，如有侵权，请联系删除。）扫码关注
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