诱导多能化成形细胞:岛移植的新纪元

许多患有一型糖尿病(T1D)的病人和一些患有由胰岛素依赖的二型糖尿病的病人的理想治疗方法不是更好的胰岛素泵或更聪明的葡萄糖监测器——这是恢复内生的、能反应葡萄糖的胰岛素分泌,几十年来,实现这一目的的金本位是整粒胰腺移植或注入出血的黄体,虽然原则上这些方法是有效的,但因长期缺乏捐献器官和需要终生免疫抑制而受到严重限制。

诱导多能干细胞(ipSC)已经成为一种破坏性技术,可以拆除这些障碍。 通过提供无限、可再生的针对特定病人或免疫匹配的同位素细胞, ipSC提供了一条可行的途径,可以实现糖尿病的可伸缩性“功能治愈 ” 。 然而,将这种潜力转化为常规临床治疗需要克服具体的科学、制造和安全障碍。

诱导多相元件基质

从声波单元格到多功能

由Shinya Yamanaka于2006年首次描述,iPSC通过将成人体细胞(通常是从皮肤活体检查或外生血单核细胞产生的纤维起落)重回胚胎等多核状态来生成. iPSC通过强迫表达出四个转录因子:Oct3/4,Sox2,Klf4和c-Myc("Yamanaka因子")来达到这个目的. iPSC与胚胎干细胞(ESCs)不同,iPSCs绕过围绕胚胎破坏的伦理争论,并允许产生出与捐献者基因相匹配的细胞线.

这一技术的临床意义不可夸大。 由于iPSC是多能体,它们可以被引导到人体中的任何细胞类型,包括兰格汉斯胰岛素分泌地峡中发现的胰岛素生成的β细胞。 产生针对患者的细胞的能力也为个性化的疾病模型和药物筛选打开了大门,为人们提供了对以前无法接触的糖尿病病原的洞察.

自动治疗与银行业务

iPSC疗法的早期愿景侧重于为每个患者创建定制细胞线(自动移植),虽然理论上这可以消除免疫抑制的需求,但相关成本和后勤复杂性(估计每条患者超过80万美元)使其在经济上无法被广泛使用。 领域已经转向创建iPSC“haplobanks ” 。 通过选择同分泌的细胞线用于常见的人类白细胞抗原(HLA:1),大约150行的银行可以为90%以上的特定人群提供完全的免疫匹配。 这种“全原”方法极大地降低了生产成本,但仍需要一定程度的免疫抑制或基因改变以防止遗传排斥。 日本的 CiRAiPSC库存项目等重大举措已经为临床用途建立了此类银行。

岛移植:概念证明,由限制所构成

《埃德蒙顿议定书》及其后续文书

夏皮罗等人在2000年发表的具有里程碑意义的埃德蒙顿协议表明,捐献地峡的输血管内部注入可以恢复重度T1D患者的胰岛素自活性。 这一突破证明β细胞取代工作是有效的。 然而,该协议也强调了该领域的深度局限性。 患者往往需要两个或两个以上已故捐献地峡以获得足够的β细胞质量。 此外,免疫抑制药(sirolimus, tacrolimus,daclizumab)具有显著的副作用,包括肾上腺毒性和感染风险增加。

其后对《埃德蒙顿议定书》的改进,如使用用阿英图兹马布来克(alemtuzumab)来进行T细胞耗竭或添加防炎剂,改善了短期结果,但捐助者短缺和受精减退的根本制约因素依然存在,根据合作岛移植登记,只有大约50%的受药者在移植后五年内保持胰岛素独立。

临界波特伦克:供应和可被弃置

主要的器官供应障碍仍然存在,与数百万糖尿病患者相比,已死亡器官捐献者的人数是微小的。虽然岛移植可以有效恢复对甘油的控制,但其效果往往是短暂的。研究表明,只有一小部分患者在移植后五年保持胰岛素独立。 这是由于以下因素的结合:

  • ALloimunity:[ 主机免疫系统会攻击捐献细胞.
  • 自动免疫:[] T1D患者现有的自体免疫反应针对新小岛.
  • Beta细胞耗竭:被移植的小岛被新陈代谢受压,再生能力也很有限.
  • 免疫抑制毒性: Calcineurin抑制剂(tacrolimus)对β细胞直接有毒.

这些限制促使人们寻找β细胞的替代来源,这些细胞可以无限量地被生产出来并被设计来逃避免疫破坏.

工程a 解决方案: IPSC 差异路线图

直接区分为泛氏远东

从iPSC产生功能性β细胞是一个复杂的过程,它重新概括了胚胎胰腺发育. 过去十年中制定的协议涉及一个多阶段,30-40天的分化过程:

  1. 定义远地活化剂:iPSC被高浓度活化剂A和Wnt3a处理,以诱发原始的花序形成和规格成定地活化剂(SOX17+,FOXA2+).
  2. 初级古特管:[FGF10和KAAD-环丙胺促进后期前置规格.
  3. 帕氏原生物:[ 肾上腺酸,活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性活性
  4. 内分泌原生物: 抑制诺克信号并添加EGF,尼可他那米化物和甲状腺激素(T3)能驱动内分泌规格(Ngn3+).
  5. Beta细胞成熟:[ 这是最具挑战性的阶段. 最终成熟往往需要被聚合为3D集群并用ALK5抑制剂(如SB431542)来进行处理,T3,以及高级的Glycation端产品(AGES)抑制剂.

结果产生了胰岛素阳性细胞群,它们共同表达C-肽和MAFA等关键β细胞标记. 然而,这些体外细胞[] 衍生出细胞往往是多激素(同表达克卢卡贡或Somatostatin),缺乏本土成年β细胞的强固糖基刺激胰岛素分泌(GSIS). 使用[化学筛选方法的最新进展已经查明能显著地改善GSIS的小分子,使球场更接近完全能正常运转的产品.

克服不公的拒绝:基因编辑革命

也许,iPSC衍生的岛地移植中最令人兴奋的进步是细胞疗法与基于CRISPR的基因编辑的趋同. 公司不是依赖免疫抑制药物,而是工程"免疫-避让"或"普遍捐赠"iPSC行. 策略包括:

  • HLA工程: 击出β-2微血球素(B2M)去除HLA类一的表达,结合HLA-E或HLA-G的表达来防止NK细胞被杀死.
  • Immune Conference Expression: CD47的过度表达("别吃我"信号),抑制由宏观phage介导的phagocytosis,或PD-L1来抑制T细胞活化.
  • 受诱发自殺接頭: 在iCaspase-9系统中,如果出现肿瘤形成等安全问题,允许选择性地消灭被移植的细胞.

2023年发表于 Nature 的开创性研究表明,由CRISPR编辑,免疫-避走人类iPSC衍生的黄蜂可以将免疫功能小鼠的糖尿病逆向治疗超过六个月,而无需免疫抑制,这种受孕证明现在被翻译成临床考生.

封装:有形障碍办法

基因编辑的替代方法是免疫分泌。细胞被封入半透视宏观囊或微囊中,允许葡萄糖和胰岛素通过,同时阻断免疫细胞和抗体。 这种方法完全否定了免疫抑制的必要性。 首要挑战在于确保胶囊的生物相容性(预防纤维化)和足够的氧气和营养传播,以支持细胞的长期生存和功能。 包括塞尔诺瓦和Beta-O2在内的多家公司正在开发高级囊括装置,这些装置包含血管化策略,以克服氧气扩散限制。

临床里程碑和地貌

Vertex制药:VX-880和VX-264

Vertex Pharmatics目前是干细胞衍生岛的临床翻译的前导体。他们的VX-880疗法使用了完全分化的全基因干细胞衍生岛细胞,通过内输入来传递,需要标准的免疫抑制。 2023年发布的早期临床数据显示了显著结果:第一个患者在90天内实现了近乎正常的甘油控制(HbA1c低于6.5%)并实现了胰岛素独立。 这提供了第一个能够使干细胞衍生岛在人类中发挥作用的现实世界证据。 最新更新数据显示,多个患者取得了类似的结果,其中一些患者在一年多的时间里保持了胰岛素独立。

以此为基础,Vertex的VX-264程序利用了封装在专有设备中的免疫避热细胞线,旨在消除免疫抑制的需求。 如果成功,这将对领域产生变革。 Vertex 已经宣布了在2025年启动VX-264临床试验的计划。

ViaCyte和CRISPR治疗方法

ViaCyte(现被Vertex收购)率先在宏观封装装置中使用胰腺先天细胞(PEC-01),虽然其初始试验显示有被活化和可被检测出C-peptide,但胰岛素的产量不足以使胰岛素独立,公司与CRISPR治疗学合作开发了VCTX-210:其细胞疗法的基因编辑和免疫-避去版本,旨在避免在不封装的情况下进行免疫检测. 早期阶段的结果预计在2025年会得到.

其他全球倡议

日本(CIRA ) 、 中国和欧洲的学术和商业团体正在制定替代协议。 许多人都注重改进细胞的功能成熟[,利用不同的生长因子鸡尾酒、定义的基质或动物模型中的活性增生策略来生长完全成熟的人体器官。 例如,宾夕法尼亚大学的研究人员报告说,他们成功地利用小分子的新组合来生成在葡萄糖敏感度和胰岛分泌动力学上更类似成年β细胞。

持久挑战与战略途径

成熟问题

最重要的科学挑战仍然是iPSC-衍生出β细胞的不完全成熟. 实验室培养出细胞在苯基中常被"同分",表明对葡萄糖的一相胰岛素反应不佳. 解决这个问题的战略多种多样:

  • 化学鸡尾酒:[ 使用MAP2K1,TGFBRI的屏幕和CaMKII抑制剂被显示在体外改进了GSIS[活体.
  • 聚合活性反应器: 模仿胰腺的生理流已被证明能提高细胞成熟度和组团统一性.
  • 在Vivo Maturation:移植胰腺后生子(PDX1+NKX6.1+)并允许其在患者体内在2至3个月后成熟,是Vertex公司使用的一种临床验证方法.

致癌性:特罗托马风险

最终产物中任何残留的无区别的iPSC都可以形成teratomas(由多细胞类型组成的原发瘤),或者在罕见的情况下,恶性teratocarcinomas. 严格质量控制至关重要. 荧光活性细胞分拣(FACS)使用抗体对抗SEA-5和CD9等表面标记,可以将残留多能干细胞耗尽到无法检测的地平面. 使用自杀基因(iCaspase-9)提供了又一层安全,可以消除整个重力,如果检测到上致癌变异. 包括FDA在内的监管机构已经制定了准则,要求最终产物每10^6个细胞含有不到一多能细胞.

自动免疫的再发生

即使通过基因编辑解决了Allograft拒绝,T1D患者仍保留了以β细胞抗原为目标的自活性记忆T细胞池. 防止自体免疫细胞发作复发的战略至关重要,其中包括低剂量抗CD3单克隆抗体(teplizumab)的复发疗法,或与自体调节T细胞(Tregs)并发移植,以在受体周围形成免疫缺陷的微环境. 近期对非人类灵长类动物的研究显示,免疫退行异体和特瑞克输液的结合可以长时间地防止全能和自体免疫.

实现功能性培养的途径

iPSC技术、高级分化协议和基因编辑的结合,将岛移植从一个适合的、依赖捐赠者的程序转移到了可扩展的制造可能性。 研究的轨迹是明确的:我们正在转向生产一种“现成”的细胞产品,这种产品可以进行移植而无需长期免疫抑制。

对全世界依赖外出胰岛素的840万人来说,功能性治疗意味着免于持续的葡萄糖监测负担、严重低血糖风险和低血糖控制的长期并发症。 尽管细胞成熟、安全和制造成本方面的挑战依然存在,但这些技术的融合提供了十年前所没有的路线图。 iPSC衍生的岛地移植的潜力不仅仅是渐进性的改进,而是我们治疗慢性、变性疾病的根本转变。 随着多个临床方案的实施和加速,未来五至十年很可能见证干细胞糖尿病疗法的首次监管批准,真正改变了数百万人的生命。