新一代干细胞——开创了以细胞为基础的治疗新时代

撰文│徐潇

编辑│陈圆圆 

审校│汤红明

【据《Nature》2020 年7 月报道】题：新一代干细胞——开创了以细胞为基础的治疗新时代（作者Erin A. Kimbrel等）。

干细胞包括各种具有自我更新和分化特性的细胞。干细胞移植用于临床疾病的治疗已有几十年的历史，所涉及的细胞包括多能体细胞，如造血干细胞（HSC）、间充质干细胞（MSC）以及多能干细胞，如人类胚胎干细胞（hESC）和诱导多能干细胞（iPSC）。多能体细胞可分化为限制组织或谱系特异性的细胞类型，是临床使用的第一代干细胞，多能干细胞(PSC)则代表了第二代干细胞。随着基因治疗和基因编辑技术的出现，经过改造的干细胞衍生物作为新一代干细胞，其功能、特异性和反应性都比天然细胞更好。本文首先概述了开发新一代干细胞治疗的关键工具，然后讨论新一代干细胞在肿瘤、基因治疗、组织修复等方面的应用。

一、新一代干细胞的“编辑工具”

病毒介导的干细胞转导。病毒介导的外源基因转导可用于驱动干细胞表达其通常不表达的蛋白质，如前药转换酶、嵌合抗原受体等。转基因也可用于过表达干细胞中的某类蛋白，如具有营养或修复作用的生长因子。研究人员通常将某特定基因通过RNA逆转录病毒，如丙型反录病毒、慢病毒，整合到基因组中，令其在细胞中稳定、长期表达。然而，这项技术也存在一定的风险，如病毒整合成一个原癌基因或者破坏了抑癌基因的功能等，导致肿瘤的发生。

其他各种用于引进和表达外源基因的工具还包括仙台病毒、腺病毒、腺相关病毒(AAV)、DNA或RNA的核切和电穿孔、纳米颗粒和脂质体，以及阳离子聚合物。然而，这些工具要么只能暂时让细胞表达某个基因，要么转染效率低。相对来说，第三代自灭活慢病毒的安全性和长期转基因表达能力支持了它们在新一代干细胞治疗中的应用。

基因编辑工具。基因编辑能够对特定的基因组位点进行靶向编辑，可用于纠正或功能性补偿基因突变，敲除内源基因等。基于核酸酶的基因编辑系统，常用的有锌指核酸酶(ZFNs)、转录激活子样效应核酸酶(TALENs)和CRISPR-Cas系统。

ZFNs和TALENs通过特异的DNA结合蛋白与DNA靶位点结合，在非特异性的核酸酶FokⅠ的作用下引起生物基因组靶位点DNA双链断裂。而CRISPR-Cas9则通过小分子向导RNA 以碱基互补配对方式与DNA序列靶位点结合，引导Cas9蛋白到靶位点并对DNA产生剪切作用，从而造成基因组靶位点DSBs，形成的DSBs会启动真核细胞DNA修复机制。ZFNs和TALENs合成和组装程序较为复杂，而设计相对简单的CRISPR-Cas系统在问世后迅速得到推广，然而该技术存在脱靶编辑的可能。因此，为了使这项技术在临床应用中更加安全，针对CRISPR脱靶效应的检测至关重要。

其他工具。除了基因治疗和基因编辑方法，其他工具正在被用于创建和改进新一代干细胞，包括光遗传学、化学遗传学。光遗传学利用光反应蛋白激活细胞内信号通路，控制外源性基因表达、诱导内源性基因转录。在干细胞治疗中具有潜在的临床应用价值。化学遗传学则是利用化学物质控制体内细胞活性，在帕金森病及癫痫的临床前动物模型中有良好的表现。

二、干细胞作为药物递送的载体

干细胞具有天然的向肿瘤部位募集的特性，因此将抗癌药物包装在干细胞内可以使这些药物更容易靶向肿瘤，减少全身毒性。神经干细胞(NSC)和MSC由于免疫原性低，会根据肿瘤分泌的趋化因子、血管生成因子和/或炎症信号而迁移，通常被用于肿瘤治疗。

递送前体药物转化酶。在肿瘤治疗中，通过干细胞递送前体药物转化酶到肿瘤部位，可以促进无毒的前体药物在局部转化为细胞毒性形式，减少药物潜在的毒副作用。其缺点就是需要大量这种类型的干细胞，且经改造后的细胞仍具有向肿瘤部位募集的特性。

递送凋亡诱导剂。干细胞具有向肿瘤部位募集的特性也使其被用于高侵袭性脑瘤、非小细胞肺癌和胰腺癌的治疗，将干细胞改造后用于递送促凋亡药物。此外，由干细胞分泌的细胞外囊泡(EVs)被认为是新一代细胞释放凋亡诱导剂和其他抗癌药物的替代方法。EVs的使用避免了移植干细胞所带来的一系列风险。在EVs中包装小干扰RNA (siRNA)或短发夹RNA (shRNA)不仅发挥了干细胞本身的安全优势，而且其免疫原性较脂质体及纳米颗粒更低，更具临床适应性。

递送溶瘤病毒。溶瘤病毒（OVs）可利用细胞表面标志物侵入到肿瘤细胞中，选择性杀伤癌细胞。然而OVs会触发机体的抗病毒免疫，限制其功能的发挥，通过干细胞包装OVs可避免上述问题。

三、干细胞工程疗法

新一代干细胞本身也可以作为治疗手段，在肿瘤、组织修复及遗传性疾病中发挥作用。在肿瘤治疗方面，新一代干细胞可以提供长期的抗原特异性免疫，且通过细胞分化可为肿瘤患者提供现成的抗原特异性免疫治疗。在组织修复方面，干细胞可通过表达神经营养因子、抗炎细胞因子或血管生成因子，以促进因损伤或疾病而受损的组织的愈合和恢复。在遗传性疾病中，干细胞则被用于纠正致病突变。

抗原特异性免疫激活。使用表达抗原特异性T细胞受体(TCRs)或CARs的T细胞进行过继细胞治疗已经探索了几十年。如今，在TCRs和CARs技术也应用于干细胞，以增加抗原免疫反应的时间并扩大干细胞的应用范围，另干细胞在艾滋病以及固体肿瘤也可发挥作用。

内源性组织修复。新一代干细胞可过表达神经营养因子、趋化因子、抗炎分子、血管生成因子和其他有助于组织恢复和内源性修复的分子，用于治疗中枢神经系统疾病（慢性缺血性中风和创伤性脑损伤）、心脏病、动脉粥样硬化等疾病中。

基因治疗。基因治疗是通过引入外源正常基因，以纠正或补偿缺陷和异常基因引起的疾病，将基因治疗应用于HSC治疗遗传性血液病、原发性免疫缺陷是目前临床研究的热点领域，目前正处于临床试验阶段。除了HSC，干细胞的基因疗法还被探索用于治疗其他遗传性疾病，如自体角化细胞用于治疗交界性大疱性表皮松解症、肌肉特异性干细胞用于遗传性肌肉疾病等。

四、总结

干细胞领域在过去的60年里发展迅速，从基于原始干细胞的第一代干细胞到基于PSC的第二代干细胞，虽然它们的临床应用潜能巨大，然而不同类型的干细胞也存在一定的不足，阻碍了其临床应用。通过将这些干细胞进行改造，提高其特异性和有效性或扩大其应用范围有望解决此前的困境，这些经过改造的细胞即新一代干细胞。

目前正在临床试验的新一代干细胞包括肿瘤亲和性的MSC和NSC，用于递送前体药物转化酶以及新型抗肿瘤药物治疗肿瘤。表达抗原特异性TCRs或CARs的HSC用于防止癌症复发或艾滋病毒感染正在进行临床试验；经过基因编辑的HSC正在血红蛋白病或艾滋病毒患者中开展临床试验，以确定改造后的干细胞在体内是否长期有效。化学发生和光发生的手段可用于控制改造后的干细胞衍生物在体内的命运转归及活性的方法。尽管目前新一代干细胞的应用还存在许多生产及管理上的问题，但随着技术的发展，未来新一代干细胞在临床治疗上将大有可为。

                                （湖北省十堰市人民医院 徐潇 报道）

（本文来源于《医学参考报》干细胞与再生医学频道2020-04期第8版文章，ID：yxckbsc2020040801），图片来源于网络，如有侵权，请联系删除。）

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