個性化醫療和誘導多能干細胞治療帕金森病

一、簡介

盡管進行了幾個世紀的研究，但神經退行性疾病在老齡化世界中繼續造成越來越大的身體和經濟負擔。這些疾病包括帕金森病 (PD)、阿爾茨海默病 (AD)、肌萎縮側索硬化 (ALS)、巴頓病和亨廷頓舞蹈病等。自發現以來，神經退行性疾病已通過尸檢和體檢在臨床上得到鑒定。蛋白質聚集體的形成、局部神經元死亡和進行性癥狀都是神經變性的典型表現；然而，由于遺傳學領域的最新進展，我們對這些疾病的發病機制和病因學的了解得到了重建。在再生醫學的推動下，圖1)。

隨著細胞重編程的進步，誘導多能干細胞為PD中發現的局部神經變性的細胞治療提供了最大的潛力。由于iPSCs患者的特異性，移植后免疫反應的可能性可以顯著降低。

迄今為止，已有170項臨床試驗采用間充質干細胞 (MSC)、神經祖細胞干細胞 (NPC) 和骨髓來源的單核細胞 (BM-MNC) 來緩解阿爾茨海默氏病 (AD)、帕金森氏病 ( PD)、亨廷頓病 (HD)、肌萎縮側索硬化 (ALS)、多發性硬化 (MS)、脊髓損傷 (SCI) 和腦缺血 (BI)。

二、帕金森病的病理

帕金森病的主要病理改變為黑質多巴胺能神經元變性死亡，但為何會引起黑質多巴胺能神經元變性死亡的病因及發病機制尚未完全明了。

帕金森病的發病因素有以下幾個方面：遺傳因素，到目前至少發現17個單基因是家族性帕金森病連鎖的基因位點，另一些尚未克隆的基因還有待于進一步研究，目前認為約10%的患者有家族史，絕大多數為散發性。

除基因突變導致少數患者發病外，基因易感性可使患病幾率增加，但并不一定發病，只有在環境因素、神經系統老化等因素的共同作用下，通過氧化應激、蛋白酶體功能障礙、炎性免疫反應等途徑導致發病。帕金森，確切原因目前不清楚，考慮是跟家族遺傳有關系。

在這里，我們檢查導致我們目前對PD的理解的發現，并提出誘導多能干細胞移植作為最可行的帕金森疾病緩解療法之一。

三、帕金森研究的重大基因發現

2018年，至少發現了5個主要的常染色體顯性基因、5個常染色體隱性或X連鎖因子和11個與帕金森樣癥狀相關的其他疾病的單基因突變。其中最值得注意的是富含亮氨酸重復激酶2 (?LRRK2?) 的突變和多態性，這是一種在神經元存活中發揮作用的基因，以及編碼一種稱為α-突觸核蛋白的蛋白質的SNCA基因 (表格1) 。

PD繼承	疾病，（突變）	基因、位置	基因功能	表型
常染色體顯性	PARK-SNCA，（A53T，重復，三次）	SNCA , 4q22-1	SNCA基因編碼廣泛表達于神經元突觸前末梢的α-突觸核蛋白。α-突觸核蛋白維持參與神經元通訊的囊泡的產生。α-突觸核蛋白也被認為在自愿和非自愿運動通路的多巴胺表達中發揮作用。	早發性 PD。SNpc 內的神經變性和整個大腦的路易體形成。
	PARK-LRRK2 , ( G0219s , R1441C )	LRRK2 , 12q12	編碼富含亮氨酸的重復激酶 2 蛋白，在神經元的細胞質和線粒體膜中表達。LRRK2大量參與分子的泛素化，導致它們的降解。PD 中的確切功能尚不清楚，但它被認為可以協調中腦中的神經元存活和分化。	具有混合神經病理學的遲發性 PD。一些病例在 SN 中出現路易體形成和 DAn 死亡，其他病例則沒有路易體形成。
常染色體隱性	PARK-DJ1 , ( Q456X , V170G )	DJ-1 , 1p36.23	編碼在大腦和全身其他組織中發現的蛋白質DJ-1。DJ-1是一種多功能蛋白，其作用涉及預防 α-突觸核蛋白聚集、氧化應激條件下的神經元保護、轉錄調節和金屬誘導的細胞毒性預防。這些功能的全部或部分可能與某些類型的早期PD形成有關。	尚未報告確鑿的數據。
	PARK-PINK1，（外顯子 7 缺失）	粉紅1 , 1p36.12	位于線粒體內的蛋白質PTEN誘導的推定激酶1的代碼。PINK1通過使 parkin 蛋白與去極化的線粒體結合并誘導自噬，在細胞應激期間表現出線粒體的保護功能。	早發性PD伴有路易體形成和SNpc中的急性DAn丟失。
遺傳危險因素	戈謝病 ( L444P , N370S )	大灣區, 1q22	編碼在溶酶體和細胞膜中具有活性的酶。β-葡糖腦苷脂酶是一種管家酶，可將葡糖腦苷脂的 β-糖苷鍵水解為葡萄糖和神經酰胺。突變導致巨噬細胞中葡萄糖腦苷脂的積累。	除了肝功能衰竭、骨損傷和低血細胞計數外，還有嚴重的神經系統并發癥。

四、遺傳性帕金森病的定制療法

PD背后的病理學涉及導致類似癥狀的多個系統和神經遞質的功能障礙。然而，患者對左旋多巴治療的高度可變和集中反應表明，不同的退化生化機制可能需要不同的治療方法。這些差異包括運動反應的變化、運動障礙、精神病發作、睡眠障礙和視覺幻覺。

個性化醫療方法為患有特定PD亞群的患者提供更有效的臨床治療和額外的益處。在討論醫療干預時，個性化醫療與精準醫療被廣泛混為一談，我們將交替使用這兩者來考慮針對給定PD患者亞群的靶向治療，以及從整體上接近他們的病情。

特定遺傳因素的影響可以解釋個體藥物反應的一些差異。遺傳差異在藥物攝取的代謝途徑中起著重要作用，這可能會影響對治療的反應。盡管PD的大部分遺傳性尚未得到解釋，但藥物基因組學領域試圖研究遺傳學對藥物力學的影響——特別是多巴胺轉運蛋白、受體和對PD多巴胺加工至關重要的酶之間的相互作用。

家族性LRRK2PD患者可以使用LRRK2抑制劑治療，制藥公司已于今年早些時候開始臨床試驗 (ID：NCT03710707）。相反，特定的藥物治療方案會增加特定基因型的風險。多巴胺活性轉運蛋白1基因 (?DAT1?) 多態性的那些人，該基因參與化學突觸中多巴胺的再攝取，當用左旋多巴治療時，發生運動障礙的可能性增加2.5倍，同時顯示DAT1的不同點突變增加使用多巴胺能藥物治療時出現幻覺的風險。遺傳因素也受治療性別的影響。多巴胺受體D2 (DRD2) 是一種多巴胺能受體亞型，多態性可保護左旋多巴誘導的男性運動障礙，但對女性沒有保護作用。

遺傳差異也可能受到表觀遺傳因素的影響。將來，臨床醫生還可以根據個體的生理進展而不是癥狀的嚴重程度來個性化治療方式。研究人員正在開發α-突觸核蛋白示蹤劑以檢查體內α-突觸核蛋白形成的定位和嚴重程度，但是，目前尚無此技術。雖然基于特定亞型的個性化醫療的實施為患者帶來了許多好處，但由于 PD的進展性和動態性，治療方式可能需要不斷修改。

最終，PD的個性化治療體現了年齡、生活方式、基因型、性格和其他并發疾病的整體跨度。這種策略相對較新，理想情況下取決于多學科團隊，以確保在執行給定的治療計劃之前考慮所有患者的特定需求。

五、多能干細胞

hESC和iPSC都具有獨特的品質，這使它們成為研究PD發展的理想候選者。可以定制干細胞以分化成多種細胞命運，包括在細胞水平上模擬PD的SNpc的DAn。誘導干細胞也是患者特異性的，為表型相似狀態下的 PD突變和多態性風險因素的個體貢獻打開了一扇窗。DAn壽命也可以與其他iPSC神經元（如皮質和嗅覺神經元）進行比較，以探測SNpc中DAns的超敏反應。此外，TALEN、CRIPSR和其他基因重編程技術的出現已應用于iPSC患者系并得到廣泛審查。然后可以檢查校正后的突變系。獲得高比例的功能齊全、成熟的腹側中腦DAn可能非常具有挑戰性，而且擴大規模成本高昂。iPSC治療的技術障礙和倫理障礙可能會限制移植重編程干細胞的可行性，但PD治療的這種機會是前所未有的。

首個從iPSC來源移植DAns的人體臨床試驗于今年在日本開始（ID：UMIN000033564）。

六、誘導多能干細胞作為帕金森病的細胞療法

iPSC的有效性也已作為實現這種疾病改變治療的方法進行了檢驗。干細胞已被用于許多涉及神經損傷的試驗中。第一次發生在2010年，一項使用hESC治療脊髓損傷 (SCI) 的臨床試驗。

從那時起，干細胞衍生產品已用于其他動物和人體試驗，用于治療神經疾病，范圍從年齡相關性黃斑變性 (AMD) 的陽性結果到AD的不良結果。這些試驗產生了好壞參半的結果——在某些情況下，由于細胞和大體解剖差異，突出了模型生物體在預測人類神經變性治療療效方面的局限性。

由于相對局部的神經變性，PD也是細胞療法的良好候選者。1987年，腹側中腦的胎兒組織被植入PD患者體內，試驗結果顯示，在某些情況下，即使在植入后20年，細胞仍能存活和DAn功能。如上所述，每位患者采集4-10個胚胎的倫理學和保存后細胞存活的局限性阻礙了胎兒細胞移植作為全國范圍內可行的細胞治療形式。

hESC也被用于2017年的中國PD試驗，但在沒有確鑿數據的情況下推測其有效性還為時過早。盡管hESC植入可能會產生有希望的結果，但必須使用強免疫抑制劑來確保移植物被接受。所有重編程細胞移植的安全性至關重要。在進行移植試驗時，必須采取預防措施以防止感染、移植物引起的運動障礙和腫瘤發生。盡管細胞移植總是會帶來一些風險，但iPSC的優勢為PD的細胞治療提供了一個可行的未來。這些相關的基于細胞的療法的歷史可以在圖2。

從1987年開始，胎兒腹側中腦 (VM) 組織被用作第一個使用細胞治療PD的臨床試驗的細胞來源。近年來，人類胚胎干細胞 (hESC) 被用于許多涉及神經變性的臨床試驗。hESCs的使用在脊髓損傷 (SCI)、年齡相關性黃斑變性 (AMD) 以及心臟細胞損傷方面顯示出特殊的前景。2018年夏天，臨床醫生開始進行首次使用誘導多能干細胞 (iPSC) 作為細胞來源治療PD的人體試驗。該試驗將在兩年內跟蹤7名患者。這些試驗的結果在文中有詳細說明。

第一個優勢是可以在不犧牲人類胚胎的情況下建立iPSC細胞系，消除了人類干細胞治療的一大倫理障礙。iPSC 還允許在患者特異性治療中匹配人類白細胞抗原 (HLA)，從而有效降低術后免疫抑制劑的嚴重程度。在靈長類動物研究中，組織相容性還顯示淋巴細胞和小膠質細胞的免疫反應降低，以及在DAns的iPSC移植中細胞存活率增加。iPS去分化和重編程可能耗時較長，給患者帶來高成本負擔，但減少免疫排斥反應和通用供體系可在擴大規模時顯著降低成本。患者特異性iPSC移植所需的步驟概述于圖3。

在日本，研究人員估計，通過匹配三個HLA基因座（A、B和DR），來自HLA純合子供體的50個iPS細胞系將??覆蓋73%的日本人口。靈長類動物研究已經證明，在將人類iPSC移植到PD的非人類靈長類動物模型中兩年后，情況有了顯著改善。這些移植到非人類靈長類動物中的人類iPSC起到了中腦DAns的作用，并改善了得分運動。同樣，在非人類靈長類動物模型中對iPSC移植物進行的尸檢分析顯示，其生長、增殖和整合到現有神經網絡中的能力很強。靈長類動物移植也已通過臨床級人類ESC實現，并且未顯示明顯的腫瘤形成，以及顯著的運動恢復。然而，在不久的將來，將確定用iPSC移植物治療人類PD的臨床療效。

首先，成纖維細胞是從患有家族性PD的患者身上獲得的。研究人員表達主要的重編程轉錄因子以建立突變的iPSC細胞系。使用ZNF/TALEN或CRISPR/Cas9技術，糾正顯著突變，然后在無異源條件下將細胞系分化為成熟或祖細胞DA神經元。經過充分的質量保證后，分化的細胞即可用于臨床試驗。

靈長類動物和人類研究之間的主要區別將是實際PD患者的治療，而不是化學誘導的靈長類動物模型。由 Takahashi 領導的團隊宣布了第一個iPSC生成的DAn移植治療PD的人體臨床試驗。

該試驗于2018年8月1日在京都大學醫院開始。細胞將來自具有匹配HLA位點的第三方供體，以確保遺傳完整性并消除患者的遺傳干擾。在大鼠模型中進行了額外的測試以確認療效。然而，由于該試驗的探索性，患者仍將接受免疫抑制劑治療。大約500萬個細胞將通過顱骨上的兩個鉆孔注入SNpc。已選擇7名中度PD患者進行試驗，這些患者在神經變性早期接受細胞治療，但也存在更大的實驗風險，將接受兩年隨訪。臨床醫生將監測疾病的進展，以及SNpc中多巴胺過多會導致不自主運動的其他副作用。雖然圍繞iPSC和基因工程的許多問題和倫理問題仍然存在，但PD的未來看起來很有希望。然而，iPSC治療PD可能不會完全恢復功能，應在其他治療方案的背景下進行檢查。

八、結論

即使是SNpc中7800個DAns的一小群丟失也可能導致PD患者嚴重虛弱。盡管細胞死亡可能由多種假設機制引起，但最終神經元存活對于正常的運動和認知功能是不可或缺的。由于目前沒有從嚴重細胞死亡中恢復的療法，iPSC提供了一種可能恢復無病狀態的替代途徑。相反，不易患PD的患者特異性細胞可能會被移植回SNpc，恢復功能的雄心終于觸手可及。程序性細胞死亡并不只影響PD患者。然而，與其他形式的神經變性相比，iPSC療法更適合PD，因為PD神經元死亡相對局限。

因此，細胞療法可以，比對抗更彌漫和更廣泛的退化（例如ALS或AD）所需的目標和侵入性更小。正如之前在動物和靈長類動物模型中所顯示的那樣，患者特異性細胞療法與個性化藥物遺傳學相結合，可能為減輕人類帕金森病嚴重的神經退行性變提供了途徑。

參考資料：Stoddard-Bennett T, Reijo Pera R. Treatment of Parkinson’s Disease through Personalized Medicine and Induced Pluripotent Stem Cells. Cells. 2019 Jan 7;8(1):26. doi: 10.3390/cells8010026. PMID: 30621042; PMCID: PMC6357081.

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