基于干細胞的再生醫學的觀點，特別強調間充質干細胞治療

概述：再生醫學是一種旨在利用干細胞等再生缺失或功能障礙的器官和組織來恢復失去的人體功能的醫學治療方法。再生醫學中使用的干細胞主要分為三種類型：誘導多能干細胞（iPS細胞）、胚胎干細胞（ES細胞）和間充質干細胞（MSC）。

間充質干細胞因其具有分化為多種類型細胞、修復細胞和組織的能力，有望廣泛應用于再生醫學領域；抗炎作用；分泌各種生長因子；和解決異常積累的淀粉樣蛋白。間充質干細胞可以來源于骨髓、牙髓和其他來源，但脂肪組織源性干細胞（ADSC）可能更優越，因為它們可以通過最少的侵襲來收獲，因此可以獲得足夠量的干細胞可以相對容易地培養。當間充質干細胞通過靜脈輸注全身給藥時，它們往往會在疾病部位積聚，這種特性被稱為“歸巢”，這對于臨床應用極為有利。

在日本，干細胞治療的研究或治療計劃必須經過“再生醫學特別批準委員會”審查批準，并按照“再生醫學特別批準委員會”提交厚生勞動省批準后才能進行干細胞治療。 《確保再生醫學安全法》并經進行治療的機構的倫理委員會批準后。本文綜述了間充質干細胞的特點、臨床應用的現狀以及未來的前景。

介紹：什么是再生醫學？

再生醫學是一種旨在使因疾病或事故而損失的身體組織再生的醫學治療方法。人們經常使用“根本治療”這個詞，它的目的是從根本上恢復失去的組織和器官。

組織工程是“通過結合生命科學和工程學來替代失去功能的器官和組織的技術”。具體來說，就是通過以下三個要素來創造人造器官和組織：患者的“細胞”、為細胞運作提供非常重要的場所（框架）的“基質”以及提供細胞功能的“生物活性物質”。是對我們的身體有積極影響的營養成分。人工制造器官和組織，需要具有強大分化能力的干細胞。

干細胞主要分為三種類型，代表再生醫學中使用的干細胞。誘導多能干細胞（iPS細胞）和胚胎干細胞（ES細胞）具有這種能力，這正是人造器官和組織的創建及其臨床應用的原因開始了。

另一種類型的干細胞，即間充質干細胞 (MSC) ，也能夠分化，并且在不久的將來可能會建立類似的治療方法。雖然間充質干細胞相對于其他兩類干細胞有一些優勢，例如不需要基因操作、沒有特定的癌癥風險、沒有倫理問題等，但它們不具有高分化潛力，尚未被應用于生產所需的細胞。間充質干細胞臨床應用的主要原因不是組織器官的再生和移植，而是具有修復受損組織器官或組成它們的細胞的能力。MSC療法包括施用未分化的干細胞，iPS細胞和ES細胞在施用前總是分化的；這是它們之間的關鍵區別，即iPS細胞或ES細胞和MSC。

干細胞類型及其發現歷史

再生醫學中使用的干細胞主要分為三種類型：誘導多能干細胞細胞、胚胎干細胞和間充質干細胞。因為前兩者具有很強的分化潛力，所以不能以未分化的形式給予人體，否則會在體內不受控制地分化，產生畸胎瘤等腫瘤，但它們可以分化為特定的細胞和組織，并在再生醫學中用作受損細胞和組織的替代品。

iPS細胞與ES細胞一樣，有潛力成為體內的任何細胞。iPS細胞是通過將一些基因（Oct3/4、Sox2、c-Myc 和 Klf4）插入成人皮膚或血細胞中而產生的，而ES細胞是從早期受精卵的一部分中獲得的，這需要犧牲受精卵。大多使用體外受精剩下的受精卵，但破壞受精卵這個生命的胚芽的倫理問題是不可避免的。

誘導多能干細胞的臨床應用

iPS細胞的臨床應用在日本取得了進展，這可能是因為它們在日本的發現和諾貝爾獎的授予。由于iPS細胞是來自另一個家族的細胞，因此移植時可能會發生排斥反應。正在嘗試兩項創新來減少這種排斥：

• 一是匹配人類白細胞抗原（HLA）類型（再生醫學iPS細胞儲備項目），
• 二是使用CRISPR-Cas9基因組編輯技術來創建iPS細胞在其他家庭移植時免疫排斥的風險較小。目前的臨床應用包括色素性視網膜炎、帕金森病、以及擴張型心肌病和缺血性心肌病等嚴重心臟病。

2020年1月，第一例人類受試者被植入iPS細胞衍生的心肌細胞片。由于iPS細胞可以分化成多種組織，因此它們在治療多種疾病方面具有潛在的應用前景。在這種情況下，尤其重要的是，細胞首先是完全分化的，即沒有未分化的細胞殘留；否則，它們在移植后可能會偏離其預期目的，并且腫瘤形成是一個特殊的問題。由于iPS細胞采用基因重組技術，移植后不應出現異常基因的表達。努力匹配HLA類型對于防止排斥反應非常重要。

迄今為止，臨床應用中尚未發現癌癥、排斥或基因表達異常的證據。當然，iPS細胞在非臨床研究中的應用，比如藥物開發，是iPS細胞的主要應用之一，在這種情況下，基因表達異常、癌變等“副作用”就不會那么重要了。

間充質干細胞

MSC是成體干細胞，能夠分化為中胚層來源的組織，如骨、軟骨、血管和心肌細胞，以及外胚層來源的神經元和神經膠質細胞，甚至內胚層來源的肝細胞。

國際細胞治療學會使用以下標準來定義人類 MSC：(1) 在標準培養條件下粘附于塑料，(2) 細胞表面標記 CD73、CD90和CD105呈陽性，CD11b或CD14、CD19呈陰性或CD79α、CD34、CD45和HLA-DR，以及(3)分化成成骨細胞、軟骨細胞和脂肪細胞的能力。

間充質干細胞已在多種身體組織中發現，包括骨髓、肌肉、皮膚、脂肪組織、臍帶、牙髓和牙周組織。

間充質干細胞的首次臨床應用是1957年Thomas等人進行的造血干細胞骨髓移植。

1990年，他與約瑟夫·默里（Joseph Murray）因建立了骨髓移植治療血液疾病的方法而獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

1966年，弗里登斯坦等人繼1958年Denis報道皮下移植的骨髓停止造血、產生網狀組織并導致骨形成之后，證實將骨髓碎片和骨髓懸浮液異體移植到小鼠體內會導致網狀組織的形成，有時還會導致骨形成。

1962年，與山中伸彌 (Shinya Yamanaka) 因創建iPS細胞一起獲得2012年諾貝爾獎的約翰·B·格登 (John B. Gurdon ) 通過將體細胞核移植到青蛙卵中，創造出了克隆青蛙。

ES細胞由Martin Evans于1981年建立，他培養了囊胚內細胞團的細胞，發現了多能細胞，并于2007年獲得諾貝爾獎。

1999年，Mark F. Pittenger等人建立了ES細胞。證明了MSC的多能性，即MSC可以分化為軟骨、骨、脂肪細胞和肌肉。德巴里等人。發現了滑膜來源的MSC，Zuk等人。均于2001年發現了脂肪組織來源的間充質干細胞 (ADSC) 。間充質干細胞可以從許多組織中獲得，包括臍帶、胎盤和羊膜等胎兒附屬物以及牙髓。

干細胞不僅存在于兒童期，也存在于成年期，并且在整個生命過程中，它們都發揮著替代受損組織的作用。其中，存在于骨髓中的造血干細胞是半個多世紀以來最先被研究的，并且其臨床應用一直在積極推進。造血干細胞移植技術的建立，開啟了利用任何組織干細胞進行移植治療的可能性。

然而，從某些組織（例如大腦和心臟）中分離干細胞很困難，這使得它們很難用于治療。但幸運的是，MSCs被發現不僅具有分化成成骨細胞、脂肪細胞、肌細胞和軟骨細胞等中胚層細胞的能力，而且還具有分化成內臟組織等內胚層細胞和神經元等外胚層細胞的能力，預計將被廣泛應用。應用于“再生醫學”。

間充質干細胞是體內原本存在的細胞。它們不是基因工程細胞，也不是人工創造的細胞，因此它們患癌癥的幾率不太可能更高。也不存在倫理問題，因為它們不是通過破壞胚胎細胞獲得的。盡管它們不是像iPS細胞或ES細胞那樣的多能細胞，但體內的MSC在保護和修復組織、平息炎癥以及從疾病和損傷中恢復方面發揮著重要作用。自體干細胞給藥會增加自體間充質干細胞并將其返回患者體內，不會引起排斥反應。

間充質干細胞的臨床應用特點

能夠分化成多種類型的細胞

MSCs分離培養時形成單層，表現出一定的表型，但當添加適當的支架和物質，如β-巰基乙醇、表皮生長因子、神經生長因子、腦源性生長因子等神經元分化，它們分化成各種譜系。

• 　1) 中胚層來源的組織，如骨、軟骨、血管、脂肪細胞和心肌細胞
• 　2) 外胚層來源的神經元和神經膠質細胞
• 　3) 內胚層來源的肝細胞

細胞因子和營養因子的分泌

據報道，間充質干細胞可分泌多種細胞因子和生長因子。

• 　1) 細胞因子，包括IL-6、IL-8、IL-11、IL-12、IL-14和IL-15
• 　2) 血小板衍生生長因子 (PDGF) 
• 　3）血管內皮生長因子（VEGF）
• 　4) 肝細胞生長因子 (HGF) 
• 　5) 腦源性神經營養因子 (BDNF) 
• 　6) 神經生長因子 (NGF) 
• 　7) 胰島素樣生長因子-1 (IGF1) 
• 　8) 基質衍生生長因子-1 (SDF1) 
• 　9) 粒細胞集落刺激因子 (GCSF) 
• 　10)粒細胞巨噬細胞集落刺激因子(GMCSF) 。

抗炎作用

在創傷性腦損傷中，靜脈注射MSC會減少細胞外部位的小膠質細胞和促炎細胞因子，同時增加抗炎細胞因子。與對照組相比，MSC組脊髓損傷部位的IL-1β和TNF-α顯著降低。

保護和修復神經元并促進髓鞘修復（少突膠質細胞保護）

當坐骨神經橫斷5毫米的大鼠接受MSC治療時，治療組中70%的大鼠穿過神經間隙的軸突最大直徑百分比達到50%或更高，而對照組為0%。對出生后9天的缺氧缺血性腦損傷大鼠進行治療，3天后進行MSC治療，治療21天后，神經元和少突膠質細胞的損失分別減少了42%和31%。它還改善了功能結果并減少了病變體積，表明最近分裂的細胞向神經元和少突膠質細胞的分化增加，并減少了增殖的炎癥細胞。

血管重建

MSC促進血管內皮細胞增殖并抑制細胞凋亡。心肌梗死后1周，將自體MSCs心肌內注射至梗死區，2個月后，VEGF表達水平明顯升高，梗死區血管密度和局部血流量增加，肥厚心肌細胞凋亡減少，左心室收縮力明顯改善。

腎保護作用

抑制腎炎部位浸潤巨噬細胞并誘導免疫調節巨噬細胞。

異常蛋白質的降解

MSC具有腦啡肽酶活性，這是一種降解淀粉樣蛋白-β的酶，β淀粉樣蛋白是一種沉積在阿爾茨海默病患者大腦中的不溶性蛋白質。重復靜脈注射MSC可改善皮膚淀粉樣變性。

表1：總結了間充質干細胞在臨床應用中有效的證據。

1	分化成多種細胞譜系
2	分泌多種細胞因子和營養因子
3	調節炎癥
4	保護和促進神經元和髓鞘的修復
5	改善血液循環
6	保護腎臟
7	降解異常蛋白質，包括β淀粉樣蛋白。

此外，正在研究間充質干細胞在組織工程領域的應用。組織工程的目的是通過適當地組合細胞、平臺和營養來創建三維人造器官和組織。

使用從MSC分化的細胞進行軟骨細胞片治療軟骨損傷的研究已經在進行中。

脂肪組織干細胞的優點

ADSC 可以在局部麻醉下以最小的侵入性從皮下脂肪中收獲。據報道，從脂肪組織中獲得的MSC比從相同體積的骨髓組織中獲得的MSC多約500倍，并且脂肪組織產生更多的生長因子（再生促進因子），例如 HGF和VEGF，這些因子有助于促進細胞再生。比骨髓來源的組織更能修復器官。ADSC比骨髓來源的 ADSC具有更高的免疫調節能力。

間充質干細胞的臨床應用

間充質干細胞可以從骨髓或皮下脂肪組織中獲取，它們在再生醫學中的應用正在增加，因為由于安全和倫理問題較少，它們比ES細胞或iPS細胞更容易應用于臨床。

在日本，非自體骨髓間充質干細胞（Temucel?HS注射液，JCR Pharma KK）于2015年被批準用于治療造血干細胞移植后的急性移植物抗宿主病（GVHD），并作為保險使用- 批準治療急性GVHD患者。

此外，2018年，它被批準用于治療急性GVHD。

同年，自體骨髓間充質干細胞（Stemilac?注射液，鎳公司）被批準為治療創傷性脊髓損傷的再生醫學產品，使醫療保險下的治療成為可能。

在日本，《確保再生醫學安全法》（https://www.mhlw.go.jp/english/policy/health-medical/medical-care/dl/150407-01.pdf）于2014年11月與《確保藥品和醫療器械等的質量、有效性和安全性的法案》一起實施。旨在促進再生醫學的安全和發展。《再生醫學安全保障法施行令及臨床研究法施行令》的部分修改部令（厚生勞動省令2021年第14號）生效2021年2月1日起生效。

這些法律允許使用干細胞進行再生醫學，即使沒有被保險覆蓋（日本的醫療原則是被保險覆蓋，所有公民都有保險），只要經特定再生醫學審定委員會等討論通過后，由厚生勞動省批準。這項治療研究需要制定方案、為接受治療的患者準備解釋性文件、向患者解釋并征得患者同意，并以與臨床試驗相同的方式處理結果來決定是否進行治療。申請保險。所有以這種方式批準的治療和研究都會發布在厚生勞動省的網站上，供任何人查看（https://www.mhlw.go.jp/stf/seisakunitsuite/bunya/0000186471.html）。

在上述法律體系的支持下，目前正在進行數百項治療研究。據報道，即使對于難以治療的脊髓損傷，使用 MSC 也可以改善運動和感覺功能障礙。此外，對于阿爾茨海默病、ALS、帕金森病等神經退行性疾病，以及慢性阻塞性肺病和肺纖維化等頑固性肺部疾病，目前尚無治療方法可以抑制疾病進展，目前正在開展使用重復靜脈注射MSCs，尤其是自體ADSCs，治療效果有望得到驗證。

截至2021年8月，病例報告中報告了 ALS患者，該患者在2016年國際外科醫生學會 (ICS) 第40屆世界大會（10月23-26日）上發表了演講（議程和摘要第139頁Hisakazu Yamagishi）盡管他拄著拐杖行走，但他仍然活著，沒有呼吸器或胃造口術。在許多神經退行性疾病中都發現了大腦中異常蛋白質的沉積。間充質干細胞去除這些異常蛋白質的能力，以及修復神經元和髓磷脂的能力，可能為治療許多神經退行性疾病帶來希望，否則這些疾病將是進行性且無法治療的。

間充質干細胞的臨床研究十分活躍，其作用也相繼報道。據報道，針對帕金森病反復輸注ADSC可改善 MDS-UPDRS，盡管這是一項開放標簽的試點研究。雙盲隨機對照試驗通常成本高昂，有時在倫理上具有挑戰性，但卻是確定臨床療效的黃金標準。如果給予間充質干細胞治療疾病進展并且癥狀改善或停止進展，則可以考慮將其效果與不進行治療所能達到的最佳效果進行比較。即便如此，還需要進一步驗證，而且非常值得。

間充質干細胞的施用方法

間充質干細胞可以全身給藥而無需移植到靶器官，原因有兩個：它們可以在未分化狀態下給藥，這是iPS細胞或ES 細胞不可能實現的；它們具有獨特的功能，允許全身給藥的MSC在病變，稱為歸巢。

MSC歸巢被定義為 MSC在組織脈管系統內停滯，然后遷移穿過內皮。當MSCs被靜脈注射給脊髓損傷的大鼠時，早在給藥后6小時就在受傷區域發現了所注射的細胞，并且直到至少28天后才得到確認。同樣，當將分化為少突膠質細胞前體細胞的間充質干細胞靜脈注射給脊髓損傷的大鼠時，治療4周后，約30%的注射細胞在脊髓損傷區域積聚。此時，8%的細胞已經遷移到大腦中。

此時，8%已遷移至大腦，12%遷移至腎臟，7%遷移至肝臟，3%遷移至肺部。

間充質干細胞管理的安全性

盡管MSC通常被認為是安全的，不存在包括畸胎瘤在內的腫瘤，并且幾乎沒有排斥反應，特別是對于自體干細胞而言，但它們表達組織因子 (TF)，這是一種有效的凝血激活劑。MSC接觸血液后會促進血栓前狀態，其機制歸因于所謂的即時血液介導的炎癥反應 (IBMIR) 。間充質干細胞的組織因子表達和促凝血活性根據組織來源（在脂肪中比在骨髓中更是如此）以及培養時間而變化。靜脈內MSC存在栓塞風險。由于靜脈注射間充質干細胞首先從腔靜脈經過右心房和右心室到達肺部，因此必須小心肺栓塞。肺栓塞的風險與施用的細胞數量和施用速率相關。

間充質干細胞，尤其是自體間充質干細胞，被認為是安全的，但由于它們用于治療的時間相當有限，可能存在未知的副作用。當然，一些入侵，無論多么小，都會在收集時添加。由于骨髓間充質干細胞需要采集骨髓，脂肪干細胞需要采集皮下脂肪組織，因此必須注意此類操作的安全性。盡管不限于干細胞，但培養物中不應存在感染，并且在給予人類時應避免使用異種動物來源的成分。

自體間充質干細胞與同種異體間充質干細胞

施用同種異體間充質干細胞的優點是可以預先收獲和培養干細胞，然后在需要治療時立即施用。這對于治療不能等待干細胞培養期的急性疾病（例如Covid-19）尤其重要。

另一方面，關于同種異體MSC治療后的免疫抑制狀態，據報道巨細胞病毒抗原血癥的頻率增加(67)和肺炎相關死亡的增加。給予同種異體MSC后，需要針對侵襲性真菌感染等傳染病采取充分的對策。有報道稱發生 EB 病毒相關的移植后淋巴組織增生性疾病以及EB病毒血癥。

由于自體間充質干細胞具有多種功效，并且不存在倫理問題和排斥反應，因此它們將繼續發展為一種有吸引力的治療方法，并且哪種給藥方法最好、給藥的最佳細胞數量將變得更加清楚，施用的次數和施用的持續時間，例如重復施用應當持續多長時間。如果弄清楚哪種疾病可以通過哪種作用機制得到改善，適應癥的范圍將會擴大，并且可能導致對病因尚不清楚的疾病的原因進行調查。

結論

間充質干細胞在再生醫學中的潛力是巨大的，它們對哪些疾病起作用以及作用程度如何，但其作用機制和具體給藥方法將在未來得到闡明。除了分化成特定細胞的能力外，間充質干細胞還能夠分泌各種生長因子和細胞因子，從組織中清除異常蛋白沉積物，并在疾病部位積聚，這一特性稱為歸巢。相信MSC療法將為一些目前尚無根本治療方法的疑難雜癥的治療帶來一線希望，有望惠及此類疾病患者。

參考資料：Yamagishi H, Shigematsu K. Perspectives on Stem Cell-Based Regenerative Medicine with a Particular Emphasis on Mesenchymal Stem Cell Therapy. JMA J. 2022;5(1):36-43.

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