未来科学大奖：个人制备储存iPS细胞成为细胞治疗应用的主要趋势
未来科学大奖：个人制备储存iPS细胞成为细胞治疗应用的主要趋势
2024年未来科学大奖“生命科学奖”授予干细胞生物学家邓宏魁，以表彰他在化学重编程诱导多能干细胞（CiPSC）领域的开创性工作。邓宏魁团队不仅成功将CiPSC应用于小鼠繁殖，还实现了由CiPSC衍生的胰岛细胞治疗糖尿病的重大突破。这一发现为细胞治疗领域带来了革命性的变化，开启了再生医学的新篇章。
图：诱导性多能干细胞在疾病建模和药物研发中的作用
iPSC技术的突破与临床应用
2006年，日本科学家山中伸弥首次发现通过四种转录因子将成纤维细胞转化为诱导多能干细胞（iPSC），这一发现开启了再生医学的新时代。随后，邓宏魁团队在这一领域取得了突破性进展，他们率先发展了使用化学小分子将成纤维细胞转化为iPSC（化学诱导多能干细胞，即CiPSC）的方法。邓宏魁团队不仅证明了CiPSC可以成功用于产生具有生育能力的小鼠，还揭示了产生CiPSC的分子途径。
2023年，邓宏魁研究组开发了一个全新的胰岛移植策略，有效支持人iPS细胞分化的胰岛细胞在体内存活、功能成熟以及功能长期维持。同年7月，研究团队成功完成了国际首例1型糖尿病受试者iPS细胞分化的胰岛细胞移植手术，这一技术有望成为彻底治愈1型糖尿病的理想方案。
iPSC-MSC在再生医学中的应用
人类间充质干细胞 (hMSC) 是再生医学中临床使用最广泛的干细胞之一，已在1500多个临床试验中用于治疗30多种疾病。然而，原始MSC存在一些缺点，如细胞增殖能力有限、组织中稀少导致MSC数量有限、体外扩增过程中逐渐丧失分化能力等，这些都限制了其临床应用效果。
新加坡科技研究局分子和细胞生物学研究所的科研团队在行业期刊《世界干细胞》（World J Stem Cells）上发表综述报告指出，源自人类诱导多能干细胞（hPSC-MSC）的MSC可以规避与原代MSC相关的问题。由于hPSC具有无限的自我更新能力及其向MSC分化的潜力，hPSC-MSC正在成为再生医学的一种有吸引力的替代品。
hPSC-MSC具有以下优势：
- 增殖速度快
- 寿命长
- 细胞来源可靠
- 均质性强
此外，hPSC-MSC还具有抗炎和免疫调节特性，患者自体hPSC-MSC是再生医学的更好选择，因为与同种异体MSC相比，对免疫反应的担忧较少。
表：CKD：慢性肾病；UUO：单侧输尿管阻塞；LN：狼疮性肾炎；TNBC：三阴性乳腺癌；EMT：上皮间质转化；IDO1：吲哚胺2,3-双加氧酶1；FOP：进行性骨化性纤维发育不良；mTOR：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白；EAE：实验性自身免疫性脑脊髓炎；EAU：实验性自身免疫性葡萄膜炎；TSG-6：TNFα刺激基因-6；SS：干燥综合征；CX43：连接蛋白43；Exos：外泌体；SR-aGvHD：急性类固醇耐药性移植物抗宿主病
iPSC在细胞免疫疗法中的应用
iPSC的使用已导致细胞免疫疗法的范式转变。通过将体细胞重新编程为多能状态，iPSC代表了多种细胞谱系的可再生来源，包括T细胞、自然杀伤（NK）细胞和巨噬细胞。这种能力和特性在医学领域具有重要意义，它绕过了自体患者衍生细胞治疗的局限性，并提供了开发源自健康供体来源的同种异体“现成”细胞疗法的潜力。
iPSC衍生的T细胞和CAR-T细胞疗法
传统自体嵌合抗原受体（CAR）T细胞疗法推动了免疫疗法的重大进展，但受到T细胞适应性不佳、患者起始材料有限以及制造过程复杂且昂贵等因素的限制。iPSC技术提供了一种克服这些生产瓶颈的方法，即从健康供体来源获取治疗性T细胞。该过程涉及体细胞重编程，然后定向分化为造血祖细胞（HPC）。iPSC衍生的造血祖细胞必须在精确的条件下培养，包括暴露于Notch配体（如DLL4）和细胞因子混合物（如IL-2、IL-7和IL15），这些旨在模拟T细胞成熟所必需的胸腺环境。一旦细胞分化，iPSC衍生的T细胞就会经过CAR工程，以针对肿瘤相关抗原（TAA）的特异性。
除了在制造方面具有明显优势外，同种异体iPSC衍生的CAR-T产品还比自体产品具有一系列治疗优势。例如，主iPSC细胞资源库允许在良好生产规范（GMP）条件下进行一致、可扩展的生产。使用健康供体作为原始细胞也可能提高细胞适应性、持久性和抗肿瘤效力（相对于患者T细胞）。多抗原CAR靶向提高了肿瘤表位覆盖率，而基因组去除内源性T细胞受体（TCR）和人类白细胞抗原（HLA）分子是减轻移植物抗宿主病（GvHD）相关风险的关键。
iPSC衍生的NK细胞
iPSC衍生的NK细胞疗法代表了另一种治疗途径，它利用了NK细胞的先天能力和iPSC的无限扩增潜力。iPSC-NK细胞源自健康供体（与自体CAR-T不同），这意味着这些细胞可以通过定向分化为淋巴谱系来持续制造。通过模拟体内NK细胞发育，研究人员可以使用反映自然NK细胞发育的细胞因子和生长因子将iPSC分化为NK细胞。
图：iPSC分化为NK细胞的2D和3D方案示意图。图片来源：ACROBiosystems
当前的进展已导致无饲养层分化协议的开发，简化了流程并同时提高了可扩展性。这些方法利用逐步暴露于一系列生长因子，包括VEGF、SCF、BMP4、Flt3-L、IL-3、IL-7和IL15。这些生长因子与基质支持一起使用，引导iPSC经历HPC阶段，成为功能性细胞毒性CD56+CD3-NK细胞。
同种异体NK细胞具有直接细胞介导的肿瘤细胞毒性和抗体依赖性细胞介导的细胞毒性（ADCC）优势。它们还可以通过CAR进行改造，以实现HLA独立的肿瘤靶向治疗。值得注意的是，与T细胞相比，NK细胞谱系具有更有利的安全性，发生GvHD、细胞因子释放综合征（CRS）和神经毒性的倾向较低。
图：iPSC衍生的NK细胞治疗示意图。Immune Netw. (Shin) 2020;20(2):e14。图片来源：ACROBiosystems
同种异体NK细胞治疗的前景光明，对NK细胞在血液学和实体肿瘤适应症中的安全性、有效性和适用性的研究仍在持续进行。目前正在开展工作以增强iPSC衍生的NK细胞的归巢、持久性和肿瘤浸润能力，并最大限度地降低同种异体环境中的排斥风险。CAR-NK细胞的开发（将CAR技术与NK细胞特有的细胞毒性相结合）代表了下一代免疫疗法的重要发展。工程NK细胞有可能提供比CAR-T细胞疗法更安全、更有效的替代方案，特别是在治疗免疫抑制性实体肿瘤时。
iPSC衍生的巨噬细胞
iPSC建立在T和NK细胞工程平台的成功基础之上，提供了以CAR-巨噬细胞（CAR-Ms）形式创建一类新型细胞免疫疗法的潜力。CAR-M疗法利用巨噬细胞的固有能力。巨噬细胞是一种多功能免疫细胞，具有吞噬作用、组织重塑和发挥抗炎作用。这些经过改造的巨噬细胞随后可以被重定向以专门瞄准和消灭癌细胞，从而为治疗包括血液肿瘤和实体肿瘤在内的一系列恶性肿瘤提供一种有希望的新方法。
图：CAR-M通过增加炎症因子的表达、吞噬作用和向T细胞呈递抗原的能力来增强抗肿瘤细胞。分化（Hang）。2023；130:51-57。图片来源：ACROBiosystems
通过利用其沿髓系定向分化的能力，可再生iPSC能够通过使用M-CSF、GM-CSF、IL-3和IL-4等生长因子培养HPC来产生成熟的CD14+CD16+巨噬细胞。这些吞噬巨噬细胞可以通过基因改造来表达CAR，从而有效地将其抗原呈递、细胞毒性和免疫调节功能重定向至特定的TAA。
CAR-M治疗领域仍处于早期阶段，仍存在一些限制和挑战需要解决。一个主要担忧是免疫抑制肿瘤微环境（TME）可能会破坏CAR-M的抗肿瘤功能，尽管临床前模型表明CAR-M可能具有重新编程TME的能力。CAR-M作为单一疗法的疗效仍存在不确定性，而可能需要与其他形式的癌症免疫疗法（例如检查点抑制剂或CAR-T）联合治疗，以解决TME的复杂性并确保改善治疗效果。CAR-M的制造工艺、冷冻保存技术和重复给药方案也需要持续优化，以保持持续、强大的抗肿瘤监测。
总之，诱导多能干细胞在再生医学方面具有巨大的潜力，可用于疾病建模、药物筛选和再生医学中各种疾病的治疗。iPSC技术彻底改变了细胞疗法。该领域的发展使得人们能够从健康的供体来源获取各种细胞，从而获得可持续的来源。这些多功能细胞治疗平台在临床试验中不断取得进展，预计它们将在改善细胞治疗领域前景方面发挥变革作用。人们还期望iPSC将为广泛适应症开发更有效、耐受性更好的细胞疗法。