精準醫學時代的細胞治療

(軍事科學院軍事醫學研究院，北京 100850)

吳祖澤教授，中國科學院院士。

軍事科學院軍事醫學研究院研究員，實驗血液學家。1957年畢業于山東大學。1993年當選為中國科學院院士。曾任軍事醫學科學院放射與輻射醫學研究所研究員、所長、軍事醫學科學院院長、總后勤部衛生部醫學科學技術委員會副主任委員、國際輻射研究協會首任中國理事、中華醫學會常務理事、中國病理生理學會實驗血液學專業委員會主任委員、《中國科學》和《科學通報》副主編、國家重點基礎研究發展規劃專家顧問組成員、軍事醫學科學院學術委員會主任、全軍實驗血液學重點實驗室主任委員等職。現任中國醫藥生物技術協會再生醫學專業委員會主任委員、北京市干細胞臨床研究專家委員會主任委員、《中國實驗血液學雜志》和《軍事醫學雜志》主編等。

吳祖澤院士是我國造血干細胞研究奠基人，為我國最早引入并傳播了造血干細胞的理論和技術。早在上世紀70年代他領銜的造血干細胞動力學研究代表了中國最早的干細胞醫學生物學成就。1987年“造血干細胞群的不均一性與動力學研究”獲國家自然科學獎二等獎。1980年與軍事醫學科學院附屬醫院成功完成世界第一例胎肝造血干細胞移植救治急性重度骨髓型放射病人。2014年“成體干細胞救治放射損傷新技術的建立與應用”獲國家科學技術進步獎一等獎。

著有《造血細胞動力學概論》、《造血干細胞移植基礎》、《造血調控》、《中國學科發展戰略·再生醫學》、《再生醫學研究與轉化應用》等專著。曾獲光華科技基金獎一等獎，中央軍委“軍隊專業技術重大貢獻獎”，總后勤部“一代名師”,何梁何利基金科學與技術進步獎等獎勵。2015年國際小行星中心和國際小行星命名委員會批準將國際編號為(207809)號小行星，正式命名為“吳祖澤星”。

掃描二維碼可觀看吳祖澤院士

關于本文相關視頻

細胞治療是利用活細胞產品治療疾病的方法，是繼傳統的化學藥物治療、放療、手術治療等之后的新型療法。細胞治療產品包括干細胞和免疫細胞等多種細胞類型。與其他療法相比，細胞治療對個性化的要求更高。隨著現代醫學進入精準時代，細胞治療的理念、技術和模式也在發生革命性變革。細胞治療是以個性化治療為基礎，隨著各種組學研究包括基因組學、表觀基因組學、蛋白質組學、代謝組學、功能基因組學和表型組學等發展，基因治療如基因編輯、靶向基因載體等基因治療技術日趨成熟。細胞治療和基因治療的結合極大提高了細胞治療的精準性和有效性。精準醫學需求已經促使細胞治療從“個性化”升級到“精準化”時代。本文主要就干細胞、免疫細胞和基因治療中涉及的精準醫學問題進行概述和討論。

1 干細胞與精準醫學

干細胞是一類具有自我更新能力和多向潛能的細胞。根據其來源分為胚胎干細胞、重編程干細胞(iPS細胞)和成體干細胞等類型。干細胞治療的疾病非常廣泛，包括各種腫瘤、心臟病、糖尿病、神經退行性疾病等影響人類健康的重大疾病。目前世界范圍內已經有10多個干細胞制品進入臨床應用。干細胞治療的核心環節是通過替代或重建機體損傷及衰老細胞發揮治療作用。干細胞在體內參與組織器官損傷后修復過程，包括移植后歸巢、免疫反應、細胞激活、組織再生及重塑等。上述過程受細胞供體、細胞類型、細胞狀態及病變微環境等多重因素的影響。針對上述影響因素的精準分析和干預將提高干細胞治療的有效性。干細胞的精準醫學問題包括：①干細胞的精準分型。細胞移植后的免疫排斥是干細胞治療的基礎問題。依據干細胞基因組、表觀基因、轉錄、蛋白和代謝物的特征，對干細胞供者和受者進行精準分析和分型，有助于提高干細胞治療的效果。這些精準醫學技術也可用于干細胞供者的精準篩選[1]。②干細胞的精準誘導分化和標準化制備。不同損傷和疾病需要特定類型干細胞及其來源的功能細胞進行治療。通過干細胞規模化培養、向特定譜系誘導分化和轉分化從而獲得特定細胞。解析干細胞微環境信息包括可溶性細胞因子、生物大分子基質以及周圍相鄰細胞的相互作用等有助于精準制備所需的細胞產品[2]。③干細胞治療的精準應用。不同疾病需要不同的細胞類型進行治療，如采用心肌干細胞治療心臟病，采用胰島細胞治療糖尿病等。干細胞治療疾病的適應證需要大量臨床前數據和臨床試驗結果的驗證，并且要有精準的評價。④干細胞的特異歸巢及修復。干細胞具有趨化到損傷和病變組織的特點。各種組織損傷信號調控干細胞的歸巢和分布。通過精準診斷和改善病變局部環境，創造良好的細胞歸巢“土壤”，可以促進干細胞特異歸巢并增強其治療效果。另外，通過細胞靶向修飾和介入移植等策略也可提高干細胞的歸巢效率。

精確疾病模型在機制研究和新治療方案開發過程中至關重要。動物模型雖然能夠模擬復雜的人類疾病,但不能精準反映人類基因組、表觀基因、轉錄、蛋白和代謝物的變異，人干細胞在模擬疾病模型方面具有明顯優勢。干細胞具有供者的疾病遺傳背景，并可在體外分化為各種細胞類型和類器官小體，因此是理想的藥物篩選及評價的“個性化”疾病模型，體外測試結果能精準指導臨床病人的用藥。如病人的iPS細胞來源的特異性心肌細胞能夠預測藥物對心臟的毒理反應，分析對心臟的敏感性和藥物風險[3]。新的iPS細胞技術包括利用細胞直接分化技術已經用于基因缺陷導致的各種疾病的建模[4]。另外，腫瘤干細胞是腫瘤治療的重要靶標。腫瘤干細胞3D培養能夠形成微器官樣結構，這些微器官結構能夠很好模擬腫瘤在體內的生長模式，從而應用于敏感藥物篩選和指導個性化治療[5]。

細胞配型和免疫原性依然是限制干細胞治療的重大問題。細胞重編程和轉分化技術可以直接把病人自己的體細胞轉變成治療需要的細胞類型，克服了倫理和免疫排斥兩大難題，因此在個性化細胞治療中具有廣闊的應用前景。自體iPS細胞來源的視網膜色素細胞用于治療視網膜變性等疾病，已經開始進行臨床試驗[6]。

2 精準免疫細胞治療

免疫細胞治療主要指利用體外擴增的各種免疫細胞治療腫瘤。從以往DC-CIK、NK等非特異性免疫細胞發展到嵌合抗原受體T(CAR-T)細胞免疫療法等特異性細胞療法，體現了免疫細胞治療從個體化向精準治療的升級。CAR-T細胞是經過靶向基因修飾的特異性殺傷T細胞，在治療惡性血液腫瘤方面已經獲得成功。2017年美國FDA批準了兩個CAR-T細胞免疫療法(Kymriah和Yescarta)，用于治療復發性或難治性兒童、青少年B-細胞急性淋巴細胞白血病，標志著精準免疫細胞治療時代的開始。CAR-T細胞研究已經很多年，但是只是近幾年才被改良應用到臨床上并獲得成功。CAR-T細胞療法是基因治療技術不斷提高和精準升級的經典范例。CAR-T細胞治療過程包括靶點抗體的篩選、胞內信號區域的設計和驗證以及基因轉移載體的選擇等多個環節。除了對導入基因的精密設計之外，對效應細胞精準分型和基因導入方式也直接影響到CAR-T細胞的治療效果。CAR-T細胞免疫療法將成為腫瘤的一線療法。新一代精準設計的超級CAR-T細胞能夠感知存在于腫瘤細胞上的多靶點，并引入藥物控制免疫超敏反應元件，更加安全有效[7]。

目前CAR-T療法在實體瘤治療中依然面臨著挑戰。亟需精準醫學技術的發展，并與免疫細胞治療的緊密結合。精準醫學將在腫瘤抗原結構和基因組變異檢測、特異的免疫原設計及激發免疫反應的策略方面獲得突破。目前針對腫瘤免疫負調控蛋白的免疫治療顯示出了非常好的發展前景，多個針對腫瘤免疫檢查點的免疫治療藥物在肺癌、黑色素瘤、膀胱癌等難治性的惡性腫瘤中顯示了很好的臨床療效，并獲準在美國、日本上市。利用高通量測序、生物信息學分析能夠發現并驗證新的腫瘤抗原，依據新抗原設計疫苗并與免疫檢查點抑制劑聯合應用，在腫瘤病人治療中獲得很好的效果[8]。腫瘤發生和發展是多基因變化的過程并在免疫編輯過程中形成不同的免疫表征。除了根據不同的腫瘤分子特征與免疫表征選擇合適的治療新靶點外，針對多靶點的CAR-T細胞或幾種CAR-T細胞的序貫治療也是精準免疫細胞治療發展的方向。另外，CAR-T細胞和其他創新療法的聯合應用，如與PD-L1抗體或溶瘤病毒等新型療法聯合也值得探索。

樹突狀細胞(DC)是具有抗原遞呈作用的重要的免疫細胞類型。以往的非特異性細胞治療類型DC-CIK治療也亟待升級。腫瘤細胞通常表達多種抗原,如腫瘤相關抗原(TAAs)或突變衍生抗原等能夠誘發腫瘤病人的抗腫瘤免疫應答，并被用作癌癥疫苗的靶點。基于多肽的腫瘤抗原通過DC精準遞呈將成為DC治療的重要方向[9]。另外，基因工程技術在DC疫苗平臺中的應用,將極大提高其臨床療效[10]。

3 干細胞基因治療

基因治療是直接通過基因水平的操作和介入來干預疾病的發生和發展。在經歷了30多年的發展歷程后，基因治療技術已趨于成熟并成為治療各種遺傳性疾病及重大疾病無法替代的方法。干細胞是基因治療最理想的靶細胞，其和基因治療技術的緊密結合極大促進了基因治療的有效性和精準性。基因治療技術結合造血干細胞移植和應用，為多種疾病，尤其遺傳性疾病提供了新的治療策略。精準糾正干細胞的缺陷是基因治療遺傳性疾病的基礎。如地中海貧血是常見的單基因病，由編碼血紅蛋白的基因突變所致。利用慢病毒載體將正常血紅蛋白基因導入自體造血干祖細胞后移植，該療法使依賴于輸血的地中海貧血病人脫離輸血，達到徹底治愈的目的[11]。自體基因修飾造血干細胞治療ADA酶缺陷導致的重癥聯合免疫缺陷ADA-SCID疾病也獲得了成功。2016年5月，歐盟EMA批準了GSK公司的Strimvelis用于治療罕見病ADA-SCID，這是首個上市的體外基因修飾的造血干細胞基因治療產品[12]。

基因精確編輯技術為基因治療遺傳性疾病奠定了基礎[13]。在多種基因編輯技術中，由于成簇規律間隔短回文重復序列系統(CRISPR)載體構建簡單、靶向位點選擇靈活、靶向效率更高，被廣泛用于各類細胞和模式動物的基因組編輯。新型改良的CRISPR技術在基因編輯時可以靶向更多的基因位點，并減少“錯誤編輯”的風險，從而使基因編輯更加靈活精確[14]。在人類胚胎細胞中利用CRISPR技術能夠精確修復β-地中海貧血癥的單堿基突變[15]。盡管人類胚胎基因編輯領域存在較大的爭議，并可能存在安全風險和倫理問題，但為基因編輯技術應用展現了廣闊的前景[13]。2016年中國進行了第一例CRISPR/Cas 9基因編輯技術治療肺癌的臨床研究。目前基因編輯治療疾病應用專利在美國已經有1 000多項[16]。基因編輯技術臨床應用最有可能突破的領域是造血干細胞基因編輯后移植治療單基因遺傳病和免疫細胞治療腫瘤等[17]。大量的臨床前數據已經證明基因編輯能夠精準地修復基因功能。CRISPR/Cas 9技術編輯修復人β-球蛋白基因能夠誘導胎兒血紅蛋白的合成[18]。而基因編輯T細胞CCR5基因有可能阻斷HIV的感染，用于艾滋病的治療[19]。基因編輯作為精準的基因治療技術將逐漸進入臨床試驗階段。

干細胞技術與基因治療技術的緊密結合，使干細胞功能上得到更大的加強，成為創傷修復與損傷性疾病治療最重要的再生策略之一，將更加精準地應用于組織再生和修復。細胞生長因子在組織再生中發揮主要作用。利用生長因子基因修飾能夠增強干細胞的生物學功能，成為功能增強型干細胞。如肝細胞生長因子(HGF)具有促進細胞增殖和遷移、抑制炎癥和纖維化、促進血管新生等眾多生物學功能，是組織再生過程中最重要的再生因子之一[20]。高表達HGF的間充質干細胞可攜帶HGF精準歸巢到組織損傷部位，起到協同修復和精準修復的效果。在動物模型中，HGF基因修飾干細胞移植能夠減輕放射性腸損傷以及減低放射性肺纖維化[21]。HGF基因修飾MSCs可為組織損傷提供一種新的再生修復策略。

干細胞除了優先歸巢到組織損傷區域外，還容易歸巢到腫瘤組織，參與腫瘤微環境的形成。鑒于基因修飾干細胞的上述歸巢特性，能夠使其攜帶腫瘤抑制因子，破壞腫瘤微環境，達到治療腫瘤的目的，從而為腫瘤的治療提供一種新的精準靶向策略。

4 展望

細胞治療正在完成從“個性化”向“精確化”治療的升級或轉變。以基因技術為代表的精準醫學技術，包括基因檢測、基因編輯和基因治療等新技術使細胞治療更加精準有效。干細胞及其分化來源的細胞成為指導疾病精準治療的理想模型；基因修飾干細胞成為組織損傷修復和疾病治療的新策略；工程化的免疫細胞治療未來會成為腫瘤治療的一線療法。以精準為核心的細胞治療時代已經來臨。

[參考文獻]

[1] WIDMAN A, RESHEF R. Precision in donor selection: Identifying ideal stem-cell donors through their T cells[J]. Exp Hematol, 2016,44(11):1020-1023.

[2] DOMINGUES M J, CAO H, HEAZLEWOOD S Y, et al. Niche extracellular matrix components and their influence on HSC[J]. J Cell Biochem, 2017,118(8):1984-1993.

[3] MATSA E, BURRIDGE P W, YU K H, et al. Transcriptome profiling of patient-specific human iPSC-cardiomyocytes predicts individual drug safety and efficacy responses in vitro[J]. Cell Stem Cell, 2016,19(3):311-325.

[4] FERREIRA L M, MOSTAJO-RADJI M A. How induced pluripotent stem cells are redefining personalized medicine[J]. Gene, 2013,520(1):1-6.

[5] BARTFELD S, CLEVERS H. Stem cell-derived organoids and their application for medical research and patient treatment[J]. J Mol Med (Berl), 2017,95(7):729-738.

[6] MANDAI M, WATANABE A, KURIMOTO Y, et al. Auto-logous induced stem-cell-derived retinal cells for macular dege-neration[J]. N Engl J Med, 2017,376(11):1038-1046.

[7] CHO J H, COLLINS J J, WONG W W. Universal chimeric antigen receptors for multiplexed and logical control of T cell responses[J]. Cell, 2018.

[8] LUKSZA M, RIAZ N, MAKAROV V, et al. A neoantigen fitness model predicts tumour response to checkpoint blockade immunotherapy[J]. Nature, 2017,551(7681):517-520.

[9] HIRAYAMA M, NISHIMURA Y. The present status and future prospects of peptide-based cancer vaccines[J]. Int Immunol, 2016,28(7):319-328.

[10] ABRAHAM R S, MITCHELL D A. Gene-modified dendritic cell vaccines for cancer[J]. Cytotherapy, 2016,18(11):1446-1455.

[11] THOMPSON A A, WALTERS M C, KWIATKOWSKI J, et al. Gene therapy in patients with transfusion-dependent β-thalassemia[J]. N Engl J Med, 2018,378(16):1479-1493.

[12] STIRNADEL-FARRANT H, KUDARI M, GARMAN N, et al. Gene therapy in rare diseases: The benefits and challenges of developing a patient-centric registry for Strimvelis in ADA-SCID[J]. Orphanet J Rare Dis, 2018,13(1):49.

[13] SONG M, RAMAKRISHNA S. Genome editing in stem cells for disease therapeutics[J]. Mol Biotechnol,2018,60(4):329-338.

[14] HU J H, MILLER S M, GEURTS M H, et al. Evolved Cas9 variants with broad PAM compatibility and high DNA specifi-city[J]. Nature, 2018,556(7699):57-63.

[15] LIANG P, DING C, SUN H, et al. Correction of beta-thalassemia mutant by base editor in human embryos[J]. Protein Cell, 2017,8(11): 811-822.

[16] JUBAIR L, MCMILLAN N A J. The Therapeutic potential of CRISPR/Cas9 systems in oncogene-addicted cancer types: Virally driven cancers as a model system[J]. Mol Ther Nucleic Acids, 2017,8:56-63.

[17] ANDO D, MEYER K. Gene editing: Regulatory and translation to clinic[J]. Hematol Oncol Clin North Am, 2017,31(5):797-808.

[18] ANTONIANI C, MENEGHINI V, LATTANZI A, et al. Induction of fetal hemoglobin synthesis by CRISPR/Cas9-mediated editing of the human beta-globin locus[J]. Blood, 2018,131(17):1960-1973.

[19] WANG C X, CANNON P M. Clinical applications of genome editing to HIV cure[J]. AIDS Patient Care STDS, 2016,30(12):539-544.

[20] WANG L S, WANG H, ZHANG Q L, et al. Hepatocyte growth factor gene therapy for ischemic diseases[J]. Hum Gene Ther, 2018,29(4):413-423.

[21] WANG H, SUN R T, LI Y, et al. HGF gene modification in mesenchymal stem cells reduces radiation-induced intestinal injury by modulating immunity[J]. PLoS One, 2015,10(5): e0124420.