诱导多能干细胞(ips细胞名词解释)干细胞人说2020-09-03 23:29:19

-" " "，加星标，长期关注这个科普号。

生活的小哲学

下来

刻苦研究

我们将走得更远。

主体

未来的一天，也许细胞治疗就如今天的小分子药物一样生产简单、价格低廉，那时候也许我们就进入了细胞治疗的新纪元。

作者:明(奇迹之光)

来源:蓝色彩虹

● ● ●

近年来，细胞治疗一直是国内外研究人员的热门领域，吸引了大量的资金和企业。目前，已有数十种细胞治疗产品被批准在世界各地上市，用于治疗各种疾病。

1理想的细胞疗法

2019年初，FDA公布了未来细胞治疗的发展计划。FDA预测，到2025年，每年将有10-20个该领域的新药获批[1]。根据全球市场情报机构Fiormarkets发布的报告，2017年全球细胞治疗技术市场规模约为112亿美元[2]。在细胞治疗产品中，2017年获批上市的CAR-T细胞产品Kymriah和Yescarta表现出强大的临床疗效，使得免疫细胞治疗受到极大关注，被寄予完全治愈癌症的厚望。

CAR-T细胞产品，主要流程是从患者外周血中分离出单核细胞，激活后用慢病毒转染CAR结构，然后输给患者。这种方法在工业应用中有一定的局限性:

1.自用，每套只能单个患者使用，不能大规模生产。

2. 生产制备和质检方面操作繁琐、成本高昂。（CAR-T细胞治疗产品大概在 40-50万美金。）

3.细胞数量有限影响临床应用。

4.细胞转化效率低，转染效率约为30-50%；对于NK细胞来说，转染可能是一个更难的技术点。

5.一般是混合细胞产品，在质检、安全、临床申报等方面都有一定挑战。

在未来，更理想的细胞治疗模式应该具有以下特征:

细胞来源必须是可以无限增殖的细胞。

细胞易于转化，避免了病毒转染效率低等技术问题。

处理的最终产品为同质细胞，易于识别，降低了生产、质检和申报的难度。

可以大规模生产并降低成本。

图1。理想的新一代细胞疗法的优势

步入诱导多能干细胞的新时代

诱导多能干细胞(iPSC)可以产生上述理想细胞疗法的四个特征，近年来引起了很多关注，尤其是Fate Therapeutics公司对免疫细胞的应用，显示了IPSC在新一代细胞疗法中的潜在重要作用。

IPSC基础知识

2006年，日本京都大学山中伸弥团队首次报道了在细胞中诱导多能干细胞的研究。

他们将Oct3/4、Sox2、c-Myc和Klf4四种转录因子基因克隆到病毒载体中，然后导入小鼠成纤维细胞，发现它们可以被诱导转化为一种新的细胞，即诱导多能干细胞iPSC。IPSC在形态、基因和蛋白质表达、表观遗传修饰、细胞加倍能力、胚状体和畸胎瘤生成能力、分化能力等方面与胚胎干细胞非常相似，具有与胚胎干细胞相同的应用潜力。IPS技术问世仅5年就获得了2012年诺贝尔生理医学奖。

图2。诱导多能干细胞的方法

经过十多年的技术优化，iPSC可以由多种体细胞(包括血液、尿液、皮肤等)诱导产生。).重编程技术之间的主要区别是转录因子的选择和载体的使用。其技术路径主要包括病毒转染、质粒电转移和小分子诱导。

图3。重编程诱导技术的优缺点比较

IPSC独特的工业化优势

目前，已用于细胞治疗的干细胞主要有成体干细胞、胚胎干细胞(ESC)和iPSC。成体干细胞来源困难，体外扩增困难，分化受限；胚胎干细胞具有最大的分化潜力，但总是受到伦理问题、个体化差异、免疫排斥等问题的限制，因此其发展和转化应用也受到一定程度的限制。

与其他两种干细胞相比，iPSC具有以下优势:

不存在伦理问题。

细胞的来源很容易，可以利用成体细胞(如皮肤、血液)获得。

免疫排斥反应小的个体化制剂。

分化能力强，能分化不同的功能细胞；

无限扩增、低成本和高细胞一致性(图4)。

图4。三种主要干细胞的优缺点比较

iPSC在CAR-NK中的优势

在早期应用中，iPSC存在分化效率低和iPSC残基致癌的安全问题。因此在临床应用的推广和适应症的选择上有很大的局限性。随着IPS技术的不断发展，iPS技术在癌症治疗中的应用取得了一些突破。

近两年来，Fate Therapeutics已被批准用于iPSC制备的CAR-NK的几个IND和CAR-T细胞治疗的IND。因为癌症晚期患者不易再次引发肿瘤，更能承受安全风险。因此，患者和医生对这项新技术的接受度较高。另一方面，iPSC可以为患者提供成本低、细胞均一性好的细胞产品。所以这个方向收益风险比很高，是iPSC很好的市场切入点。

CAR-NK细胞是Fate Therapeutics发展最快的临床产品线。NK细胞比T细胞更安全，可以用于同种异体移植。iPSC生产的CAR-NK产品将进一步放大CAR-NK的优势，具有强大的市场竞争力:

1.CAR-NK安全有效，可异体使用。

细胞数据显示iPSC分化的NK细胞具有相同的杀伤作用，因此预期IPSC分化的NK细胞在临床上也将有效。

有效性:根据2020年NEJM发表的论文数据，在接受CD-19 CAR-NK治疗的11例患者中，11例接受治疗的患者中有8例获得客观缓解，客观缓解率高达73%，在这8例患者中，有7例完全缓解[3]。

安全性:NK细胞不会产生CRS细胞因子风暴和神经毒性，因此比CAR-T更安全，CAR-NK的安全性已在多项临床研究中得到证实。

同种异体使用:同种异体NK细胞的抗肿瘤活性已在造血干细胞移植治疗血液恶性肿瘤中得到证实。与T细胞相比，供体NK细胞更有利于移植治疗，具有抗感染和减少癌症复发的优势，不会引起移植物抗宿主病(GVHD)和移植物抗肿瘤(GVT)效应。此外，由于NK细胞代谢迅速，不会在体内长时间停留引起后续免疫反应。

Fattherapeutics对iPSC分化的NK细胞和健康供体提供的NK细胞进行了面对面的比较。数据显示，其FT500产物(i-NK)比健康供体提供的NK细胞具有更好的肿瘤杀伤能力(图5)。

图5。NK的肿瘤杀伤能力比较(来源:Fate Therapeutics官网)

2.iPSC可以大大降低CAR-NK的生产成本。

从成本角度来看，虽然脐带血来源制备的通用CAR-NK细胞的生产成本低于CAR-T，但由于脐带血来源的限制，成本的降低将是有限的。IPSC可以无限扩展和分化，其诱导的NK细胞可以使成本最小化。一份生产周期为44天、规模为300剂(FT500: iCAR-NK)的Fatherapeutics的GMP生产数据显示，iCAR-NK细胞产品每剂成本约为3000美元，出厂价约为20000-30000美元。如果进一步扩大生产规模，成本有望进一步降低，与50万美元的CAR-T处理成本形成鲜明对比。

3.IPSC生产的CAR-NK产品

通过基因改造，iPSC可以添加汽车结构，或者添加不同甚至多个汽车目标。转化完成后，下一步就是选择符合要求的iPSC，然后下游的免疫细胞就可以分化形成T细胞、NK细胞、巨噬细胞等。

理论上，单次转化后从iPSC分化的细胞100%具有相同的转化结构。只要是差异化的，成熟的，最终的产品都会有极高的均匀度。这不仅解决了CAR转染效率低、基因转化效率低等技术难题，而且在生产质量控制和临床申报方面更具优势(图6)。

图6。IPSC基因转化分化过程(来源:Fate Therapeutics官网)

基因编辑技术让iPSC如虎添翼

如上所述，iPSC可以避免基因改造效率低的技术问题。因此，随着基因编辑工具的发展，iPSC的应用潜力更加突出[4]。以免疫细胞疗法为例，可以做以下改进:

1)制备通用免疫细胞治疗产品

通过敲除iPS细胞的TCR和其他基因，iPSC分化的T细胞不仅可以避免宿主对输注的CAR-T细胞的免疫排斥，还可以避免同种异体T细胞对宿主器官的免疫攻击(GVHD)，可以作为一种通用的细胞产品。

Fate Therapeutics今年从FDA拿到了iPSC区分的第一个CAR-T产品的IND。目前有很多技术途径可以通过基因编辑来降低iPSC的免疫原性。iPSC通用性的实现可以使其在更多的再生医学领域发挥作用。

2)基因编辑可以添加想要的汽车目标

在iPSC中加入CD19、CD20、间皮素等单个或多个靶点，可以提高免疫细胞的有效性，降低癌症的复发率。

3)通过基因编辑转化iPSC

通过纠正基因的缺陷部分分化成功能细胞。用于治疗遗传缺陷引起的疾病。目前，许多临床前试验正在进行中(图7)。

图7。一些临床前研究

3个iPSC产品在世界上处于IND阶段

iPSC的临床应用刚刚开始发展，工业应用还处于早期阶段。医疗级应用包括:疾病治疗、器官移植、生物修复等。也有可能通过细胞产生所需的产品，如血小板。在临床应用上，日本进步最快，应用方向最多，其次是美国、澳大利亚等。

许多产品已经进入临床或在全球范围内获得IND(图8)。常见的应用方向有眼科退行性疾病(黄斑变性)、神经退行性疾病(如阿尔茨海默病、帕金森病)、癌症等。其他系统性疾病的研究方向，包括1型糖尿病、心力衰竭等。

图8。全球部分iPSC公司临床进展(奇迹之光分析整理)

除了上面提到的医疗应用，iPSC还逐渐出现在科研服务、新药筛选和消费者应用中(图9)。

图9。IPSC的潜在应用方向

4.诱导多能干细胞产业发展的困难

iPSC产业发展的困难包括但不限于以下几个方面:

感应效率

iPSC的诱导效率需要满足临床需要，诱导的iPSC需要具有多能分化潜能。如果诱导效率太低，临床使用成本高，操作难度大，iPSC干燥不足导致分化潜力低，那么iPSC的应用场景也会受到限制。

技术探索

iPSC大部分还处于科研阶段。要达到临床应用的水平，需要探索相关技术，具备临床细胞诱导、培养、生产和制备的软硬件能力。如果需要结合基因编辑等技术，还涉及病毒培养、转染等过程，会进一步增加对车间、质量控制、人员培训的要求。

安全问题

由于缺乏大规模临床试验，iPSC的安全性尚未得到验证。对安全性的主要担忧在于iPSC残基导致的致瘤性，或者iPSC诱导过程中的基因核型和基因稳定性问题。同时，iPSC的免疫原性也是一个正在研究的潜在问题。

市场和监管

iPSC的应用面临着市场和监管方面的困难。虽然现在干细胞治疗需要严格遵循药物审批流程，但市场上仍有未经批准的干细胞产品。根据2016年的数据，美国有多达570家非监管批准的诊所提供干细胞产品。因此，在监管和消费者教育方面，确保在市场上提供已正式批准的干细胞疗法和产品是该行业的一大挑战。

主要参考资料:

[1]FDA:细胞和基因治疗产品在美国和欧盟的市场准入

[2]Fiormarkets:按产品(耗材、设备、软件)、细胞类型(人类干细胞和分化细胞、动物细胞)、工艺、最终用户、地区、全球行业分析、市场规模、份额、增长、趋势和2018年至2025年预测的全球细胞治疗技术市场

[3]新英格兰医学杂志2020；382:545-53

[4]《自然评论·药物发现2020》；19:463–479

干细胞者说声明：本文仅做行业调研扫盲级分享，不代表本平台完全认同其观点。

—结束—