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干細胞療法:一種有望治愈各類(lèi)疾病的方法

簡(jiǎn)介:干細胞的特點(diǎn)是能夠分化成不同的細胞類(lèi)型,同時(shí)保留自我復制和維持親代細胞特征的能力。干細胞分化成特殊細胞類(lèi)型的這種不同能力被稱(chēng)為效力。根據它們的效力,各種類(lèi)型的干細胞如圖1所示。在細胞潛能譜中,可以分裂和分化成任何胚胎細胞類(lèi)型以及胚外細胞的細胞被稱(chēng)為全能細胞。在人類(lèi)發(fā)育模型中,全能細胞起源于受精卵,受精卵是單一的全能細胞。隨著(zhù)受精卵在受精后的幾天內分裂,相同的子細胞在囊胚形成之前保持全能。在此階段,內部細胞團開(kāi)始分化,此后細胞被認為是多能的。

干細胞療法:一種有望治愈各類(lèi)疾病的方法

圖1:干細胞分化的各個(gè)階段
圖1:干細胞分化的各個(gè)階段

多能細胞可以產(chǎn)生屬于三個(gè)胚層(內胚層、中胚層、外胚層)中任何一個(gè)的細胞,但缺乏分化成胚外細胞的能力。在進(jìn)一步成熟和分化后,干細胞從多能變?yōu)槎嗄?。盡管多能細胞仍然能夠分化為少數離散的細胞類(lèi)型,但它們僅限于彼此相關(guān)的細胞類(lèi)型(例如,神經(jīng)干細胞、間充質(zhì)干細胞)。

干細胞類(lèi)型有哪些

體內干細胞根據其來(lái)源可大致分為三種類(lèi)型:胚胎(ESCs)、胎兒(FSCs)和成體干細胞(ASCs,其中間充質(zhì)干細胞或MSCs)。

胚胎干細胞 (ESC) 來(lái)源于受精后著(zhù)床前胚胎(稱(chēng)為囊胚)的內細胞團。這些在胚泡的內細胞團中發(fā)現的多能細胞增殖并分化成構成生物體的不同細胞類(lèi)型。

胎兒干細胞 (FSC) 是位于胎兒組織中的多能細胞。

成體干細胞 (ASC) 是存在于全身各種組織中的多能細胞。與 ESC 和 FSC 不同,它們也稱(chēng)為成體干細胞,可以在幼年和成年動(dòng)物以及人類(lèi)中找到。

人類(lèi)干細胞的另一個(gè)豐富來(lái)源是臍帶血。這些多能干細胞可以在臍帶血和組織(沃頓氏膠)中找到,它們與FSC一起被稱(chēng)為圍產(chǎn)期干細胞。鑒于干細胞平臺的治療潛力,臍帶血庫越來(lái)越多地被吹捧為治療人生命后期可能出現的疾病的可行選擇,臍帶血也用于移植以克服人類(lèi)白細胞抗原 (HLA) 不相容性。

盡管多能成體干細胞的分化能力有限,但已經(jīng)開(kāi)發(fā)出克服這些障礙的方法。

誘導多能干細胞 (iPSC) 是經(jīng)過(guò)人工重新編程以表現得像胚胎干細胞的成體細胞,如圖2所示。通過(guò)引入一組特定的轉錄因子,體細胞能夠恢復其多能性,從而賦予它們巨大的治療潛力。

圖2:可以從患者體內采集成體干細胞并將其重新編程為誘導多能干細胞,以創(chuàng  )建針對患者的療法,從而降低免疫排斥的風(fēng)險
圖2:可以從患者體內采集成體干細胞并將其重新編程為誘導多能干細胞 (ipSC),以創(chuàng )建針對患者的療法,從而降低免疫排斥的風(fēng)險

干細胞作為治療各種疾病的臨床應用

基因工程的最新進(jìn)展賦予我們改變細胞的能力,最顯著(zhù)的是干細胞,以允許非常具體和有效的目標功能的方式。盡管如此,未經(jīng)修飾的干細胞仍然具有巨大的治療潛力,并經(jīng)常用于現代療法。

再生醫學(xué)

由于干細胞技術(shù)的最新進(jìn)展,我們現在能夠更有效地研究人類(lèi)疾病的機制。這開(kāi)創(chuàng )了再生醫學(xué)的新紀元,超越了早期基于細胞的療法,并朝著(zhù)評估人類(lèi)遺傳變異和確定導致疾病的分子途徑以及治療靶點(diǎn)的方向發(fā)展。

干細胞療法與缺血性心肌病

心血管疾病仍然是美國的主要死亡原因。在過(guò)去十年中,干細胞已成為慢性損傷組織的潛在治療劑,MSC被廣泛研究用于此類(lèi)治療。初步結果表明,在修復和生成心臟組織方面取得了可喜的成果。

一項雙盲、安慰劑對照研究在53名MI后患者中使用了靜脈內同種異體人MSC,兩組之間的不良事件相似。動(dòng)態(tài)心電圖顯示,在接受MSC輸注的組中,室性心動(dòng)過(guò)速發(fā)作次數減少,肺功能測試的一秒內用力呼氣量有所改善。MSC組的整體癥狀評分和射血分數均有顯著(zhù)改善。在另一項研究中也看到了類(lèi)似的結果,其中MSC注射導致缺血性心肌病患者的功能能力、生活質(zhì)量和心室重構得到改善。

干細胞療法與肌肉骨骼疾病

干細胞療法也為肌肉骨骼疾病的治療提供了新的前景。由于干細胞的多向分化能力,可以修飾各種因素以促進(jìn)干細胞分化和生長(cháng)成由不同細胞類(lèi)型組成的復雜組織。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種技術(shù)來(lái)為干細胞創(chuàng )造合適的微環(huán)境來(lái)調節它們的行為和命運。這包括支架的組成、生長(cháng)因子和氧分壓。在頜面部疾病/缺陷的治療中,也正在積極研究基于干細胞的療法。至少有44項正在進(jìn)行的與口腔干細胞和口腔疾病相關(guān)的注冊臨床試驗。

干細胞在口腔疾病治療中的應用:進(jìn)展與展望
來(lái)源鏈接:10.3389/fphys.2017.00197

干細胞療法可以針對骨關(guān)節炎的不同階段進(jìn)行設計。早期治療側重于內源性干細胞的操作和關(guān)節內干細胞注射,而后期治療側重于關(guān)節表面置換。這些治療的主要目標是啟動(dòng)軟骨形成。一些正在進(jìn)行的值得注意的臨床試驗正在利用來(lái)自骨髓的自體干細胞并將它們移植到關(guān)節間隙中。另一項已發(fā)表的試驗研究了13名平均年齡為50歲的患者,他們接受了關(guān)節內干細胞注射。連續隨訪(fǎng)的 MRI 掃描顯示,經(jīng)治療的關(guān)節軟骨的健康和質(zhì)量得到改善。

間充質(zhì)干細胞治療中度和重度膝骨關(guān)節炎是安全的:一項I/II期研究
來(lái)源鏈接:10.1186/s13018-017-0689-6

干細胞療法與視網(wǎng)膜疾病

對于眼科醫生來(lái)說(shuō),退行性視網(wǎng)膜疾病是治療最具挑戰性的疾病之一。缺乏可靠的選擇往往意味著(zhù)患者得不到針對這些使人衰弱的疾病的充分治療。目前正在研究干細胞作為視網(wǎng)膜疾病的治療方法。它們的分化和自我更新能力表明它們有可能催生出新穎、更有效的視網(wǎng)膜疾病治療方法,并可能在未來(lái)逆轉失明。在初步研究顯示有希望的結果后,第二項基于干細胞的眼科治療研究啟動(dòng),目前正在進(jìn)行中。干細胞工作的建議模型包括干細胞遷移到受傷區域,以及它們分化為視網(wǎng)膜色素細胞。

干細胞療法自身免疫性疾病

多項研究表明,干細胞基于它們與先天免疫系統和適應性免疫系統的細胞成分的相互作用而表現出免疫調節特性。

干細胞療法與1型糖尿?。?/strong>大多數1型糖尿病病例是由T細胞介導的自身免疫攻擊引起的,這會(huì )導致β細胞遭到破壞,從而導致無(wú)法自然產(chǎn)生胰島素。這使得患者在他們的余生中依賴(lài)于外源性胰島素。幾項旨在通過(guò)基于干細胞的療法替代丟失的β細胞的研究取得了一些成功。

最近的一項研究比較了胰島素依賴(lài)型糖尿病動(dòng)物模型中的iPSC和MSC移植。這項研究表明,iPSC移植通過(guò)胰島的新生啟動(dòng)了內源性胰腺再生,并得出結論,基于iPSC的療法可以為1型糖尿病患者帶來(lái)希望。

間充質(zhì)干細胞和分化的胰島素產(chǎn)生細胞是I型糖尿病胰腺再生的新視野
來(lái)源鏈接:10.1016/j.biocel.2017.03.018

盡管β細胞替代可能有效,但人們擔心最初破壞患者β細胞的相同自身免疫反應可能再次發(fā)生。另一種稱(chēng)為“干細胞教育者療法”的方法已被開(kāi)發(fā)出來(lái),通過(guò)采用干細胞療法來(lái)調節患者的自身免疫反應,并產(chǎn)生了可喜的結果?;颊叩难和ㄟ^(guò)閉環(huán)系統循環(huán)以分離淋巴細胞。然后將它們與人臍帶血衍生的多能干細胞共同培養并返回給患者。初步結果表明,胰島細胞引發(fā)的自身免疫反應被逆轉,并觀(guān)察到胰島細胞再生。

干細胞療法與類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節炎:疾病緩解抗風(fēng)濕藥 (DMARDs) 加不含干細胞的培養基與DMARDs加臍帶間充質(zhì)干細胞 (UC-MSC) 靜脈內給藥的比較顯示沒(méi)有嚴重的副作用,TNF-α和IL的血清水平-6被觀(guān)察到在第一次治療后有所減少。根據美國風(fēng)濕病學(xué)會(huì )的改善標準、28關(guān)節疾病活動(dòng)評分和健康評估問(wèn)卷,以干細胞為基礎的治療導致疾病顯著(zhù)緩解,而對照組沒(méi)有顯示出這種益處。

人間充質(zhì)干細胞治療活動(dòng)性類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節炎患者:安全性和有效性
來(lái)源鏈接:https://doi.org/10.1016/j.autrev.2017.03.008

干細胞療法與系統性紅斑狼瘡:對SLE和抗磷脂綜合征中自體造血干細胞移植 (HSCT) 研究的回顧評估了25項研究。大多數研究報告說(shuō),與單獨的免疫抑制相比,HSCT后有改善,這是通過(guò)系統性紅斑狼瘡疾病活動(dòng)指數 (SLEDAI) 或無(wú)病時(shí)間進(jìn)行評估的。

多發(fā)性硬化癥是一種以功能進(jìn)行性下降為特征的脫髓鞘疾病,對患者來(lái)說(shuō)是一種毀滅性的疾病,但干細胞平臺可以應用于此。最近的一項試驗招募了20名接受臍帶間充質(zhì)干細胞治療的受試者,并對他們進(jìn)行了為期一年的隨訪(fǎng)?;颊叩?EDSS 評分在統計學(xué)上有顯著(zhù)改善 (p<0.03) 。

間充質(zhì)干細胞治療多發(fā)性硬化癥的臨床可行性
來(lái)源鏈接:10.1186/s12967-018-1433-7

ALS 是另一種使人衰弱的疾病,可以從使用基于干細胞的療法中獲益。到目前為止,已經(jīng)使用兩種不同的方法來(lái)治療這種疾?。阂环N方法是使用干細胞再生運動(dòng)神經(jīng)元并替換隨著(zhù)疾病進(jìn)展而丟失的細胞;另一種方法是使用干細胞再生新的星形膠質(zhì)細胞,以取代功能失調的細胞,這些細胞負責導致神經(jīng)元死亡的有毒環(huán)境。這些試驗,其中大部分是鞘內施用干細胞,正在利用造血干細胞、間充質(zhì)干細胞和神經(jīng)元干細胞來(lái)實(shí)現其目標。

干細胞移植治療肌萎縮側索硬化癥
來(lái)源:https://doi.org/10.1002/ana.24584

干細胞療法與腦損傷

因多種因素,如產(chǎn)道擠壓、外傷、產(chǎn)程過(guò)長(cháng)、圍生期窒息等,所導致的新生兒腦損傷,其中缺血缺氧性腦病是新生兒腦癱的最常見(jiàn)病因。新生兒腦癱可遺留永久性腦損害,如癱瘓、癲癇、智力低下、視聽(tīng)障礙、語(yǔ)言障礙等,給社會(huì )和家庭帶來(lái)了極大的負擔。目前對新生兒腦癱的治療尚無(wú)特效藥,臨床上主要是對癥支持治療以及后期的康復訓練,整體治療效果較差。

MSCs具有多向分化的潛能、造血支持、促進(jìn)干細胞的植入、免疫調控等特點(diǎn)而備受關(guān)注,成為腦癱治療的“明星細胞”之一。

中國人民解放軍第211醫院神經(jīng)外科團隊[2]對40例腦癱患兒進(jìn)行臍帶間充質(zhì)干細胞治療,療程結束后發(fā)現,和患兒自身對比的粗大運動(dòng)能力均得到不同程度提高,尤其是仰臥位與俯臥位、坐位、爬與跪、行走方面,跑跳功能方面也有明顯改善; 而且在患兒出院后6 個(gè)月至1 年期間內,仍能維持長(cháng)期的療效。同時(shí),干細胞移植治療也明顯降低患兒的肌張力。

干細胞治療是腦癱的治療方法之一,也是治療腦癱的研究方向之一,目前在臨床研究和實(shí)驗研究方面取得了令人矚目的成績(jì),為腦癱患者帶來(lái)了新的希望。

干細胞療法與神經(jīng)變性疾病

神經(jīng)變性疾病是一類(lèi)以神經(jīng)細胞變性或凋亡為特征的慢性神經(jīng)系統的疑難雜癥,包括肌萎縮側索硬化癥、帕金森病、阿爾茨海默病等。

近年來(lái)干細胞的研究為神經(jīng)修復和再生提供了一條新的途徑,是神經(jīng)變性疾病治療的有效方法之一。MSCs具有干細胞的特征,具有多向分化的潛質(zhì),在一定的誘導調節下可分化為神經(jīng)干細胞和神經(jīng)元,同時(shí)來(lái)源廣泛、免疫原性低、無(wú)倫理限制、培養擴增簡(jiǎn)單,是治療神經(jīng)變性疾病的首選之一。

國內在MSCs移植治療帕金森的臨床研究也已取得了許多可喜的臨床效果,已查詢(xún)到多篇應用間充質(zhì)干細胞治療帕金森疾病的臨床研究文獻,可以看出MSCs在顯著(zhù)改善患者的運動(dòng)癥狀,提高的生活質(zhì)量,延緩病情發(fā)展都有顯著(zhù)的效果。

2015年,鄭州大學(xué)第一附屬醫院使用400萬(wàn)個(gè)胚胎干細胞來(lái)源的神經(jīng)前體細胞移植到帕金森病患者體內,這是全球首個(gè)使用受精胚胎的胎盤(pán)干細胞治療帕金森病的臨床試驗,此項目是中國在2015年通過(guò)的第一批干細胞臨床試驗,旨在確保干細胞能夠安全和符合倫理標準的前提下應用于臨床。

2018年10月,日本批準了誘導多能干細胞治療帕金森病的臨床試驗。日本京都大學(xué)醫院將240萬(wàn)個(gè)誘導多能干細胞來(lái)源的前體細胞移植入一名帕金森病患者腦內,進(jìn)行了全球首例誘導多能干細胞治療帕金森病的臨床試驗。

因此MSCs在治療神經(jīng)變性疾病中逐漸顯示出治療的優(yōu)勢和臨床價(jià)值,是一種行之有效且安全性高的治療手段,具有巨大的臨床應用潛力,有望成為治愈神經(jīng)變性疾病的手段之一。

干細胞療法與神經(jīng)損傷性疾病

近年來(lái)脊髓損傷和顱腦創(chuàng )傷的發(fā)病率逐年上升,傳統的治療措施為手術(shù)與神經(jīng)營(yíng)養和康復訓練相結合,對患者的康復有一定的治療作用但周期長(cháng)難度大。

干細胞治療除運動(dòng)功能、感覺(jué)功能有相當的改善外,患者汗腺分泌障礙、直立性低血壓亦得到緩解,這些治療效果是傳統的治療方法所不能實(shí)現的,因此細胞治療在神經(jīng)損傷性疾病的治療中有著(zhù)獨特的優(yōu)勢。

研究證實(shí),MSCs可以在宿主體內存活并分化為具有神經(jīng)細胞特征的細胞,實(shí)現損傷細胞的替代,從而為神經(jīng)功能的再建奠定物質(zhì)基礎。MSCs來(lái)源豐富、獲取簡(jiǎn)單、增殖快、干性強,經(jīng)誘導可分化為神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞,現已經(jīng)成為神經(jīng)干細胞移植治療神經(jīng)損傷策略中的“明星細胞”和“種子細胞”。

2018年,空軍總醫院與北京放射與輻射醫學(xué)研究所公布了臍帶間充質(zhì)干細胞鞘內注射治療脊髓損傷的長(cháng)期臨床觀(guān)察結果。22例有效SCI患者接受臍帶間充質(zhì)鞘內注射治療,結果表明UC-MSCs鞘內注射治療是安全的,可改善大部分不完全性SCI患者的神經(jīng)功能,多療程治療有可能使患者療效得到進(jìn)一步提高。

挑戰

雖然基于干細胞的療法可用于有效治療無(wú)數人類(lèi)疾病,但它們并非沒(méi)有挑戰。

干細胞的致瘤性

干細胞的定義是它們自我更新和分化成各種細胞類(lèi)型的能力:這些特性使它們成為潛在替代患病或受損組織的理想選擇。然而,這些相同的特性導致了它們的致瘤潛力。許多研究都強調了干細胞平臺的致瘤性風(fēng)險,包括美國食品和藥物管理局 (FDA) 批準的首次人體誘導多能干細胞 (iPSC) 臨床試驗的臨床前劑量遞增試驗2009 年。在接受人類(lèi)ESC衍生的神經(jīng)祖細胞的小鼠中觀(guān)察到再生脊柱組織中的囊腫,導致在任何人類(lèi)受試者接受治療之前暫停研究一年。

治療耐久性

盡管針對癌癥的靶向干細胞療法最初具有很強的治療效果,但通常會(huì )出現復發(fā)。因此,僅僅基于干細胞的療法可能不足以根除腫瘤。為了使患者獲得最大的治療益處,這些靶向治療往往與其他合理選擇的治療相結合。兩項正在進(jìn)行的臨床試驗正在研究神經(jīng)干細胞在人類(lèi)多形性膠質(zhì)母細胞瘤 (GBM) 中的作用,結果將提供令人興奮的臨床反饋。

道德考量

人類(lèi)胚胎干細胞 (hESC) 于1998年首次從一對夫婦捐贈的胚胎中分離出來(lái),他們不再希望將其用于不孕癥治療。從那時(shí)起,hESC 研究一直是一個(gè)有爭議的話(huà)題,這是社會(huì )對科學(xué)范圍的潛在恐懼的一部分,涉及人類(lèi)克隆和人類(lèi)生物材料的商品化。然而,大多數關(guān)于在研究中使用 hESC 的擔憂(yōu)源于人類(lèi)胚胎的破壞。

最近,干細胞研究中出現了一種新的研究監督系統。美國國家科學(xué)院和國際干細胞研究學(xué)會(huì ) (ISSCR) 鼓勵所有從事多能干細胞研究的研究人員讓他們的研究獲得干細胞研究監督委員會(huì ) (SCRO) 的批準。SCRO由科學(xué)家、醫生、倫理學(xué)家、法律專(zhuān)家,甚至社區成員組成。SCRO確保滿(mǎn)足當地的道德要求,獲得捐贈者的自愿知情同意,并公平對待包括胚胎在內的人體材料的捐贈者。

成本

阻礙基于干細胞的療法和研究成為主流的最大障礙之一是成本。人類(lèi)iPSC的每個(gè)細胞系都需要兩到四個(gè)月的時(shí)間來(lái)發(fā)育,從收集原代細胞開(kāi)始,然后重新編程,效率約為0.01%到0.1%(圖3),并長(cháng)成相當大的iPSC群體。此外,將細胞長(cháng)時(shí)間培養以重新編程 iPSC也會(huì )導致基因表達效力發(fā)生變化(圖4 )。這可能會(huì )導致細胞無(wú)法用于治療目的,因此必須對這些細胞進(jìn)行分類(lèi)。因此,開(kāi)發(fā)臨床iPSC衍生組織產(chǎn)品非常昂貴(約800,000美元),并且考慮到許多此類(lèi)療法的不確定性和臨床數據的缺乏,有人可能會(huì )爭辯說(shuō)這些療法無(wú)法實(shí)現或無(wú)法獲得。

人類(lèi) iPSC 的每個(gè)細胞系都需要兩到四個(gè)月的時(shí)間來(lái)發(fā)育,從收集原代細胞開(kāi)始,然后重新編程, - 效率約為 0.01% 至 0.1%,并生長(cháng)成相當大的誘導多能干細胞 (iPSC) 群體。
圖 3:人類(lèi)iPSC的每個(gè)細胞系都需要兩到四個(gè)月的時(shí)間才能發(fā)育,從收集原代細胞開(kāi)始,然后重新編程,效率約為0.01%到0.1%,并長(cháng)成相當大的誘導多能干細胞 ( iPSC)人口。
將細胞保持在培養物中需要很長(cháng)時(shí)間才能重新編程誘導多能干細胞(iPSC)-也可能導致-變化-基因表達的效力。-這可能導致細胞無(wú)法達到治療目的,并且那些細胞將不得不被分類(lèi)。
圖4:將細胞長(cháng)時(shí)間培養以重新編程誘導多能干細胞 (iPSC) 也可能導致基因表達效能發(fā)生變化。這可能會(huì )導致細胞無(wú)法用于治療目的,因此必須對這些細胞進(jìn)行分類(lèi)。

結論

干細胞,由于它們的再生、轉化和歸巢特性,理論上有可能通過(guò)替換這些細胞來(lái)治愈任何涉及細胞病理學(xué)的疾病。它們不僅擁有更有效地治療自身免疫性疾病的能力,而且還可以幫助患有中風(fēng)、癡呆、帕金森氏癥和糖尿病等慢性疾病的患者,并假設治愈長(cháng)期以來(lái)被認為無(wú)法治愈的疾病的可能性。截至目前為止政府公布了500多項正在進(jìn)行的涉及干細胞治療的臨床試驗,但我們距離其中許多療法可用于廣泛的臨床適應還很遙遠。盡管基于干細胞的療法伴隨著(zhù)一系列挑戰和擔憂(yōu),并且它們需要聯(lián)合療法,但很明顯,干細胞是未來(lái)再生醫學(xué)前進(jìn)的方向,具有巨大的臨床應用價(jià)值。

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