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

导语：8月16日，有“中国的诺贝尔奖”之誉的未来科学大奖公布2024年获奖名单。因开创了利用化学方法将体细胞重编程为诱导多能干细胞（iPSC），改变细胞命运和状态方面的杰出工作，干细胞生物学家邓宏魁获得“生命科学奖”。

图：诱导性多能干细胞在疾病建模和药物研发中的作用

2006年，日本诺奖得主山中伸弥及其同事发现，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），这一发现标志着再生医学的新时代。

邓宏魁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。他证明了CiPSC可以成功用于产生具有生育能力的小鼠，并揭示了产生CiPSC的分子途径。邓宏魁还成功建立了人类CiPSC诱导技术，并证明了由人类CiPSC衍生的胰岛可以改善非人灵长类动物的糖尿病，显示出CiPSC的巨大临床潜力。

邓宏魁的原创性工作为细胞重编程开辟了新的途径，并将对干细胞研究和再生医学的发展产生广泛而深远的影响。

2023年1月9日，邓宏魁研究组研究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11日，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。该治疗技术有望成为彻底治愈1型糖尿病的理想方案。

iPS细胞来源间充质干细胞解决细胞治疗行业关键问题

人类间充质干细胞 (hMSC) 已成为再生医学的有吸引力的细胞来源。MSC 是成体干细胞，存在于几乎所有成体组织和出生相关组织中。

诱导性多能干细胞 (iPSC) 可以无限地自我更新并分化为任何类型的细胞，包括 MSC。因此，iPSC-MSC (iMSC) 可以提供无限的 iPSC-MSC，以克服原始 MSC 有限的 MSC，并成为 MSC 的规模化应用的主要来源 。

作为临床上使用最广泛的干细胞之一，MSC 已在1500 多个临床试验中用于治疗 30 多种疾病。然而，原始 MSC 的寿命有限，导致细胞数量有限。在体外扩增过程中，MSC 逐渐失去分化潜能并衰老，这极大地损害了它们的治疗应用。MSC 治疗为再生医学提供了一种有希望的治疗选择。

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World J Stem Cells上发表了题为Application of mesenchymal stem cells derived from human pluripotent stem cells in regenerative medicine（人多能干细胞来源的间充质干细胞在再生医学中的应用）的综述报告。

该报告指出，间充质干细胞 (MSC) 是再生医学中临床使用最广泛的干细胞。然而，由于原代 MSC 存在一些缺点，例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导致 MSC 应用效果降低、供体之间的差异导致 MSC 效果的不确定性增加，MSC 的临床应用受到了极大的阻碍。源自人类诱导多能干细胞 (hPSC-MSC) 的 MSC 可以规避与原代 MSC 相关的这些问题。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。

由于其多能性、免疫抑制性和无限的细胞来源，hPSC-MSC 已用于再生医学的各种应用：

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

hPSC-MSC的优势

1.原代 MSC 存在一些缺点，包括可扩展性有限、供体间差异大以及临床试验结果不一致。iPSC-MSC 有可能克服传统和供体衍生 MSC 生产工艺的根本限制。过去几年，关于 hPSC-MSC 用于再生医学的报告越来越多，hPSC-MSC 的衍生取得了实质性进展。

2.MSC 的使用已进入临床应用的不同阶段。与原代MSC相比，hPSC-MSC具有增殖速度快、寿命长、细胞来源可靠、均质性强等优点。

3.MSC 具有抗炎和免疫调节特性。然而，患者自体 hPSC-MSC 仍然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。

诱导性多能干细胞导致细胞免疫疗法的范式转变

诱导多能干细胞 (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。

iPSC的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的等因素的限制。

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：利用先天免疫力

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：一个新兴的前沿领域

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。