精准医学时代的细胞治疗

(军事科学院军事医学研究院，北京 100850)

吴祖泽教授，中国科学院院士。

军事科学院军事医学研究院研究员，实验血液学家。1957年毕业于山东大学。1993年当选为中国科学院院士。曾任军事医学科学院放射与辐射医学研究所研究员、所长、军事医学科学院院长、总后勤部卫生部医学科学技术委员会副主任委员、国际辐射研究协会首任中国理事、中华医学会常务理事、中国病理生理学会实验血液学专业委员会主任委员、《中国科学》和《科学通报》副主编、国家重点基础研究发展规划专家顾问组成员、军事医学科学院学术委员会主任、全军实验血液学重点实验室主任委员等职。现任中国医药生物技术协会再生医学专业委员会主任委员、北京市干细胞临床研究专家委员会主任委员、《中国实验血液学杂志》和《军事医学杂志》主编等。

吴祖泽院士是我国造血干细胞研究奠基人，为我国最早引入并传播了造血干细胞的理论和技术。早在上世纪70年代他领衔的造血干细胞动力学研究代表了中国最早的干细胞医学生物学成就。1987年“造血干细胞群的不均一性与动力学研究”获国家自然科学奖二等奖。1980年与军事医学科学院附属医院成功完成世界第一例胎肝造血干细胞移植救治急性重度骨髓型放射病人。2014年“成体干细胞救治放射损伤新技术的建立与应用”获国家科学技术进步奖一等奖。

著有《造血细胞动力学概论》、《造血干细胞移植基础》、《造血调控》、《中国学科发展战略·再生医学》、《再生医学研究与转化应用》等专著。曾获光华科技基金奖一等奖，中央军委“军队专业技术重大贡献奖”，总后勤部“一代名师”,何梁何利基金科学与技术进步奖等奖励。2015年国际小行星中心和国际小行星命名委员会批准将国际编号为(207809)号小行星，正式命名为“吴祖泽星”。

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细胞治疗是利用活细胞产品治疗疾病的方法，是继传统的化学药物治疗、放疗、手术治疗等之后的新型疗法。细胞治疗产品包括干细胞和免疫细胞等多种细胞类型。与其他疗法相比，细胞治疗对个性化的要求更高。随着现代医学进入精准时代，细胞治疗的理念、技术和模式也在发生革命性变革。细胞治疗是以个性化治疗为基础，随着各种组学研究包括基因组学、表观基因组学、蛋白质组学、代谢组学、功能基因组学和表型组学等发展，基因治疗如基因编辑、靶向基因载体等基因治疗技术日趋成熟。细胞治疗和基因治疗的结合极大提高了细胞治疗的精准性和有效性。精准医学需求已经促使细胞治疗从“个性化”升级到“精准化”时代。本文主要就干细胞、免疫细胞和基因治疗中涉及的精准医学问题进行概述和讨论。

1 干细胞与精准医学

干细胞是一类具有自我更新能力和多向潜能的细胞。根据其来源分为胚胎干细胞、重编程干细胞(iPS细胞)和成体干细胞等类型。干细胞治疗的疾病非常广泛，包括各种肿瘤、心脏病、糖尿病、神经退行性疾病等影响人类健康的重大疾病。目前世界范围内已经有10多个干细胞制品进入临床应用。干细胞治疗的核心环节是通过替代或重建机体损伤及衰老细胞发挥治疗作用。干细胞在体内参与组织器官损伤后修复过程，包括移植后归巢、免疫反应、细胞激活、组织再生及重塑等。上述过程受细胞供体、细胞类型、细胞状态及病变微环境等多重因素的影响。针对上述影响因素的精准分析和干预将提高干细胞治疗的有效性。干细胞的精准医学问题包括：①干细胞的精准分型。细胞移植后的免疫排斥是干细胞治疗的基础问题。依据干细胞基因组、表观基因、转录、蛋白和代谢物的特征，对干细胞供者和受者进行精准分析和分型，有助于提高干细胞治疗的效果。这些精准医学技术也可用于干细胞供者的精准筛选[1]。②干细胞的精准诱导分化和标准化制备。不同损伤和疾病需要特定类型干细胞及其来源的功能细胞进行治疗。通过干细胞规模化培养、向特定谱系诱导分化和转分化从而获得特定细胞。解析干细胞微环境信息包括可溶性细胞因子、生物大分子基质以及周围相邻细胞的相互作用等有助于精准制备所需的细胞产品[2]。③干细胞治疗的精准应用。不同疾病需要不同的细胞类型进行治疗，如采用心肌干细胞治疗心脏病，采用胰岛细胞治疗糖尿病等。干细胞治疗疾病的适应证需要大量临床前数据和临床试验结果的验证，并且要有精准的评价。④干细胞的特异归巢及修复。干细胞具有趋化到损伤和病变组织的特点。各种组织损伤信号调控干细胞的归巢和分布。通过精准诊断和改善病变局部环境，创造良好的细胞归巢“土壤”，可以促进干细胞特异归巢并增强其治疗效果。另外，通过细胞靶向修饰和介入移植等策略也可提高干细胞的归巢效率。

精确疾病模型在机制研究和新治疗方案开发过程中至关重要。动物模型虽然能够模拟复杂的人类疾病,但不能精准反映人类基因组、表观基因、转录、蛋白和代谢物的变异，人干细胞在模拟疾病模型方面具有明显优势。干细胞具有供者的疾病遗传背景，并可在体外分化为各种细胞类型和类器官小体，因此是理想的药物筛选及评价的“个性化”疾病模型，体外测试结果能精准指导临床病人的用药。如病人的iPS细胞来源的特异性心肌细胞能够预测药物对心脏的毒理反应，分析对心脏的敏感性和药物风险[3]。新的iPS细胞技术包括利用细胞直接分化技术已经用于基因缺陷导致的各种疾病的建模[4]。另外，肿瘤干细胞是肿瘤治疗的重要靶标。肿瘤干细胞3D培养能够形成微器官样结构，这些微器官结构能够很好模拟肿瘤在体内的生长模式，从而应用于敏感药物筛选和指导个性化治疗[5]。

细胞配型和免疫原性依然是限制干细胞治疗的重大问题。细胞重编程和转分化技术可以直接把病人自己的体细胞转变成治疗需要的细胞类型，克服了伦理和免疫排斥两大难题，因此在个性化细胞治疗中具有广阔的应用前景。自体iPS细胞来源的视网膜色素细胞用于治疗视网膜变性等疾病，已经开始进行临床试验[6]。

2 精准免疫细胞治疗

免疫细胞治疗主要指利用体外扩增的各种免疫细胞治疗肿瘤。从以往DC-CIK、NK等非特异性免疫细胞发展到嵌合抗原受体T(CAR-T)细胞免疫疗法等特异性细胞疗法，体现了免疫细胞治疗从个体化向精准治疗的升级。CAR-T细胞是经过靶向基因修饰的特异性杀伤T细胞，在治疗恶性血液肿瘤方面已经获得成功。2017年美国FDA批准了两个CAR-T细胞免疫疗法(Kymriah和Yescarta)，用于治疗复发性或难治性儿童、青少年B-细胞急性淋巴细胞白血病，标志着精准免疫细胞治疗时代的开始。CAR-T细胞研究已经很多年，但是只是近几年才被改良应用到临床上并获得成功。CAR-T细胞疗法是基因治疗技术不断提高和精准升级的经典范例。CAR-T细胞治疗过程包括靶点抗体的筛选、胞内信号区域的设计和验证以及基因转移载体的选择等多个环节。除了对导入基因的精密设计之外，对效应细胞精准分型和基因导入方式也直接影响到CAR-T细胞的治疗效果。CAR-T细胞免疫疗法将成为肿瘤的一线疗法。新一代精准设计的超级CAR-T细胞能够感知存在于肿瘤细胞上的多靶点，并引入药物控制免疫超敏反应元件，更加安全有效[7]。

目前CAR-T疗法在实体瘤治疗中依然面临着挑战。亟需精准医学技术的发展，并与免疫细胞治疗的紧密结合。精准医学将在肿瘤抗原结构和基因组变异检测、特异的免疫原设计及激发免疫反应的策略方面获得突破。目前针对肿瘤免疫负调控蛋白的免疫治疗显示出了非常好的发展前景，多个针对肿瘤免疫检查点的免疫治疗药物在肺癌、黑色素瘤、膀胱癌等难治性的恶性肿瘤中显示了很好的临床疗效，并获准在美国、日本上市。利用高通量测序、生物信息学分析能够发现并验证新的肿瘤抗原，依据新抗原设计疫苗并与免疫检查点抑制剂联合应用，在肿瘤病人治疗中获得很好的效果[8]。肿瘤发生和发展是多基因变化的过程并在免疫编辑过程中形成不同的免疫表征。除了根据不同的肿瘤分子特征与免疫表征选择合适的治疗新靶点外，针对多靶点的CAR-T细胞或几种CAR-T细胞的序贯治疗也是精准免疫细胞治疗发展的方向。另外，CAR-T细胞和其他创新疗法的联合应用，如与PD-L1抗体或溶瘤病毒等新型疗法联合也值得探索。

树突状细胞(DC)是具有抗原递呈作用的重要的免疫细胞类型。以往的非特异性细胞治疗类型DC-CIK治疗也亟待升级。肿瘤细胞通常表达多种抗原,如肿瘤相关抗原(TAAs)或突变衍生抗原等能够诱发肿瘤病人的抗肿瘤免疫应答，并被用作癌症疫苗的靶点。基于多肽的肿瘤抗原通过DC精准递呈将成为DC治疗的重要方向[9]。另外，基因工程技术在DC疫苗平台中的应用,将极大提高其临床疗效[10]。

3 干细胞基因治疗

基因治疗是直接通过基因水平的操作和介入来干预疾病的发生和发展。在经历了30多年的发展历程后，基因治疗技术已趋于成熟并成为治疗各种遗传性疾病及重大疾病无法替代的方法。干细胞是基因治疗最理想的靶细胞，其和基因治疗技术的紧密结合极大促进了基因治疗的有效性和精准性。基因治疗技术结合造血干细胞移植和应用，为多种疾病，尤其遗传性疾病提供了新的治疗策略。精准纠正干细胞的缺陷是基因治疗遗传性疾病的基础。如地中海贫血是常见的单基因病，由编码血红蛋白的基因突变所致。利用慢病毒载体将正常血红蛋白基因导入自体造血干祖细胞后移植，该疗法使依赖于输血的地中海贫血病人脱离输血，达到彻底治愈的目的[11]。自体基因修饰造血干细胞治疗ADA酶缺陷导致的重症联合免疫缺陷ADA-SCID疾病也获得了成功。2016年5月，欧盟EMA批准了GSK公司的Strimvelis用于治疗罕见病ADA-SCID，这是首个上市的体外基因修饰的造血干细胞基因治疗产品[12]。

基因精确编辑技术为基因治疗遗传性疾病奠定了基础[13]。在多种基因编辑技术中，由于成簇规律间隔短回文重复序列系统(CRISPR)载体构建简单、靶向位点选择灵活、靶向效率更高，被广泛用于各类细胞和模式动物的基因组编辑。新型改良的CRISPR技术在基因编辑时可以靶向更多的基因位点，并减少“错误编辑”的风险，从而使基因编辑更加灵活精确[14]。在人类胚胎细胞中利用CRISPR技术能够精确修复β-地中海贫血症的单碱基突变[15]。尽管人类胚胎基因编辑领域存在较大的争议，并可能存在安全风险和伦理问题，但为基因编辑技术应用展现了广阔的前景[13]。2016年中国进行了第一例CRISPR/Cas 9基因编辑技术治疗肺癌的临床研究。目前基因编辑治疗疾病应用专利在美国已经有1 000多项[16]。基因编辑技术临床应用最有可能突破的领域是造血干细胞基因编辑后移植治疗单基因遗传病和免疫细胞治疗肿瘤等[17]。大量的临床前数据已经证明基因编辑能够精准地修复基因功能。CRISPR/Cas 9技术编辑修复人β-球蛋白基因能够诱导胎儿血红蛋白的合成[18]。而基因编辑T细胞CCR5基因有可能阻断HIV的感染，用于艾滋病的治疗[19]。基因编辑作为精准的基因治疗技术将逐渐进入临床试验阶段。

干细胞技术与基因治疗技术的紧密结合，使干细胞功能上得到更大的加强，成为创伤修复与损伤性疾病治疗最重要的再生策略之一，将更加精准地应用于组织再生和修复。细胞生长因子在组织再生中发挥主要作用。利用生长因子基因修饰能够增强干细胞的生物学功能，成为功能增强型干细胞。如肝细胞生长因子(HGF)具有促进细胞增殖和迁移、抑制炎症和纤维化、促进血管新生等众多生物学功能，是组织再生过程中最重要的再生因子之一[20]。高表达HGF的间充质干细胞可携带HGF精准归巢到组织损伤部位，起到协同修复和精准修复的效果。在动物模型中，HGF基因修饰干细胞移植能够减轻放射性肠损伤以及减低放射性肺纤维化[21]。HGF基因修饰MSCs可为组织损伤提供一种新的再生修复策略。

干细胞除了优先归巢到组织损伤区域外，还容易归巢到肿瘤组织，参与肿瘤微环境的形成。鉴于基因修饰干细胞的上述归巢特性，能够使其携带肿瘤抑制因子，破坏肿瘤微环境，达到治疗肿瘤的目的，从而为肿瘤的治疗提供一种新的精准靶向策略。

4 展望

细胞治疗正在完成从“个性化”向“精确化”治疗的升级或转变。以基因技术为代表的精准医学技术，包括基因检测、基因编辑和基因治疗等新技术使细胞治疗更加精准有效。干细胞及其分化来源的细胞成为指导疾病精准治疗的理想模型；基因修饰干细胞成为组织损伤修复和疾病治疗的新策略；工程化的免疫细胞治疗未来会成为肿瘤治疗的一线疗法。以精准为核心的细胞治疗时代已经来临。

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