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细胞疗法能替代器官移植吗

冯杰

2018年09月06日 08:35

撰文 罗贝托·格拉米诺力(Roberto Gramignoli) 翻译 冯盈哲
《光明日报》( 2018年09月05日 14版)


通过移植肝细胞,由肝脏受损或肝功能不佳造成的疾病终于被攻破,这种治疗方法能够配合或取代器官移植。


由于分离过程复杂,肝细胞无法长期存活,以及缺乏合适的肝脏捐献者等原因,肝细胞疗法只能在少数医疗中心实现。


来自胎盘的羊膜上皮细胞或带来一种全新的治疗方法。这些细胞的特点在于,它们有着与成年人体内其他各种细胞不同的能力,使得它们能够克服其他治疗方法无法克服的阻碍。


Ⅰ·肝脏移植手术的伟大


“真是一种美妙的感觉,我以前从未体验过,也从未想过这一天会成真。”在接受肝脏细胞移植后的数日,一位病人对治疗他的医生说出了上述这番话。每天,病人们都用这样的简单话语给予我们鼓励。通过这种移植手术,我们为源自肝脏的一种人体代谢疾病找到了治疗方法。


在实验室,我们每天研究分子和细胞的工作机制,期望找到某种细胞疗法,能够治愈复杂且常常致命的疾病,是病人们自然流露出的快乐让我们的工作更加有意义。


在肝脏细胞移植领域,我们已经研究了20多年。我们懂得了如何治疗由病毒感染、过量用药或代谢障碍引发的疾病,这其中就包括一种肝脏疾病。由于病人的肝脏细胞缺失一种酶,患者常常发育迟缓,或者伴有认知障碍,有时还会导致严重后果,甚至致命。


通常来说,代谢类疾病治疗起来非常困难,有时根本无法治疗。代谢类疾病还具有遗传性,所以代谢缺陷往往自出生第一天起就会表现出来。药物和选择性饮食可以在一定时期内减缓或阻止病情恶化。然而数年过后,大多数代谢类疾病都会恶化,导致病人无法拥有正常的生活,即便是最简单的生活。由于疾病的遗传性,我们只能通过替换“有缺陷的”细胞,即替换掉那些无法正常行使生命功能的肝细胞来治疗疾病。几十年来,这种替换指的是手术切除患者肝脏,并移植一个能正常运作的肝脏。在今天,这种替换可以更加精确——向患者体内注入来自捐献者的正常肝细胞(肝脏中有大约1500亿~2000亿个细胞)。


器官移植是一种复杂的外科手术,它花了几十年的时间才达到今天的卓越水平。如今,对大多数病例来说,恢复肝功能受损的唯一方法就是移植。2017年,正值首例肝脏移植手术成功的50周年之际,这一开创性疗法的创造者——美国外科医生托马斯·斯塔兹尔去世了。20世纪60年代初,斯塔兹尔引入了肝脏移植方法,如今该疗法的成功率(接受移植后病人的存活率)达到了将近70%~80%。


首例肝脏移植手术成功之后的几十年里,随着越来越有效的方案解决了异体排斥问题。在外科领域,尤其是在药理学层面,进步和改良不断推进。然而,所用药物的副作用或与其他药物的相互作用,可能会导致严重的并发症,甚至致残,这个问题至今还未解决。再生医学领域的最新进展为解决这个问题带来了一丝希望。最近,在意识到正常细胞能够在此类疾病上发挥潜在作用后,我们开始关注细胞疗法,这种疗法或将带来医学的重大变革。


Ⅱ·另一种移植的可能


四十多年的研究表明,许多肝脏疾病可以通过肝细胞移植来治疗。这时,病人的肝脏不需要整个摘除,而是向患者体内移植成熟且正常的肝细胞来治疗疾病。


在今天,肝细胞移植还只是肝脏移植的一种辅助疗法或备用方案。到目前为止,在等候器官移植或患有代谢疾病的病人当中,不到150人接受了肝细胞移植。肝细胞移植的一个好处是,它为等待肝脏移植的病人争取了时间,并且增加了肝脏移植的匹配成功概率和存活概率。


在移植到病人体内后,肝细胞便能够执行肝脏的所有功能,阻止或逆转导致疾病发生的病理过程,同时促进肝脏原本的再生能力。病人体内的细胞也有助于肝脏的再生过程,但前提是它们得存活下来并避开阻止它们修复受损器官的病理过程。人类身体内部先天的再生能力是一笔宝贵的财富,比如人类的肝脏每年都会全部更新。通过注入正常的肝细胞,现在我们能够为肝脏提供必要的时间和功能,帮助它防御致命的伤害。


有证据表明,细胞移植能够有效减轻一些代谢疾病的严重症状,比如与胆红素分子有关的代克里格勒-纳贾综合征(CNS),也可以阻止尿素在组织中聚集,后者的毒害作用常常引发无法补救的昏迷状态。此外,我们还用细胞移植治疗了由氨基酸代谢缺失导致的认知障碍或发育迟缓,比如常见的苯丙尿酮症。


尽管肝细胞移植已经有20多年的历史,但直到现在,仍只有少数几个机构能够开展这种疗法。最近几年,只有5家欧洲机构使用过肝细胞移植:英国伦敦国王学院医院、比利时布鲁塞尔的天主教鲁汶大学、德国汉诺威医学院、西班牙瓦伦西亚拉菲医院和瑞典斯德哥尔摩卡罗琳斯卡医学院。在欧洲之外,美国的匹兹堡儿童医院也采用过这种疗法。


肝细胞供应数量有限,原因是分离肝细胞需要复杂、精确的操作程序,以及如何确保这些分离出来的细胞可以长期存活。在我们这里,用于移植的肝细胞必须严格满足以下两个条件:细胞必须是活着的细胞,也就是说细胞的生命力要足够强大,能够在复杂的分离过程中存活下来;细胞还必须是成熟的细胞,也就是能够执行肝脏的多种特殊功能,包括病人需要的功能。


虽然这些要求看起来平淡无奇,但我们仍进行了多年研究,才制备出适合移植的肝细胞。我们遇到的第一个困难,就是开发有效的技术和鉴定试剂,分离人类的肝细胞并用于临床。我们必须在无菌条件下,将用于移植的细胞从肝脏上分离下来,把接受者面临的风险降到最低。接着,肝细胞需要经过严格的功能检测。得益于几十年的经验积累,我们的检测技术已经很完善。在进行肝细胞移植的医院里(先前是美国的匹兹堡儿童医院,现在是瑞典斯德哥尔摩的卡罗琳斯卡医学院),通过这些检测,有助于对接受者与捐献者的细胞进行配对,以便更快速、高效地去除病灶。


我们面临的另一个困难是,如何将刚从捐献者身上提取得到的肝细胞保存起来,直至移植到病人体内。总的来说,在其他细胞移植(例如骨髓细胞和脐带血细胞)中,细胞可以冷冻保存数年,直到找到合适的接受者。不幸的是,这种保存方法并不适用于肝脏细胞。在今天的冷冻技术下,人类的肝细胞无法存活。经过多年的实验和功能性测试,人类肝细胞能够在低温(不低于零度)下保存2至4天。我们可以通过时间管理来解决这个问题:当捐赠者的肝脏能够用于分离肝细胞时,负责准备提取细胞的小组和为接受者注入细胞的外科医生一同行动,密切配合。


这些细胞先是浸泡在一种溶液里,然后被注入循环系统,直接到达肝脏组织。一旦进入肝脏组织内,移植的肝细胞便能与病人的肝脏结合,在很短的时间内就能开始工作,执行它们特有的功能,迅速改善病人的临床条件。对于那些在24小时内没能成功与病人的肝脏组织结合的移植细胞,它们将被免疫系统清除,不会给病人造成任何危险。


不难看出,与器官移植相比,人类肝细胞移植远算不上入侵式的外科操作。在美国匹兹堡儿童医院进行肝细胞移植手术时,外科医生先找到门静脉,即一条通向肝脏的静脉血管,越过肚脐,接着在已经萎缩的脐静脉处插管,注入肝细胞。无论是在儿童身上,还是成人身上,这一过程能很快且无痛地将肝细胞移植到病人体内,不需要开刀,也不会留下可见的疤痕。


Ⅲ·肝细胞拼图的妙处


我们必须回答的另一个问题是:要注入多少肝细胞,才能在安全的前提下改善病情?在大多数情况下,需要移植的肝细胞数量取决于病人的病情、年龄和体重。


对于药物服用过量或中毒(比如食用真菌)导致的急性肝炎,移植几百万个肝细胞就有可能挽救患者的生命。移植的肝细胞能够帮助病人承受肝脏受到的损伤,并为肝脏的自主再生争取时间,直至病人彻底康复。


对于患有代谢疾病的病人,我们需要移植更多的肝细胞,相当于肝脏细胞总数量的5%~10%(约几十亿个细胞)。这些移植肝细胞进入病人肝脏后,就必须执行原本缺失的肝脏功能,并在患者的有生之年一直如此。如果移植的肝细胞不能存活下来,病情就会复发。


移植大量的肝细胞自然需要经过许多程序。从不同的捐献者身上提取肝细胞,并分多次注入接受者体内,这样我们就能为病人移植50亿~500亿个肝细胞,执行病人缺失的肝脏功能,达到治疗的目的。举例来说,最近我们在卡罗琳斯卡医学院完成了一例肝细胞移植,分六次向一个青少年注入了60亿个肝脏细胞,而移植的细胞来自两位捐献者。


肝细胞移植面临的最大的困难,永远都是寻找可用于肝细胞分离的肝脏。在过去的二十年里,我们只能使用肝脏移植手术拒绝使用的肝脏。但是,被肝脏移植手术拒绝意味着肝脏细胞的质量不怎么好。肝脏移植手术中移出的肝脏,在一定程度上解决了这个难题。这些肝脏缺少一种酶,但其他功能都正常。正是因为这一点,我们发现这些肝细胞有利用价值。事实证明,我们的判断是正确的。


2012年,我们的团队从一位有酶缺陷的捐献者身上分离出肝细胞,并把它们注入一位肝脏有另一种缺陷的病人体内,从而达到治疗的目的。这种治疗策略是安全的,因为尽管移植的肝脏缺少一种酶,但几十亿个移植细胞不足以在接受者身上产生与捐献者相同的疾病。相反,移植细胞却足以缓解病症,因此移植是必要的。移植的肝细胞可以提供病人的肝脏不能行使的功能,同时病人的肝脏仍能行使移植的肝细胞缺少的功能——就像是一种“拼图”的互相补偿,从而不必移植整个器官。正是用这种方法,我们成功地治疗了一个病人的苯丙尿酮症。


到目前为止,有两名苯丙尿酮症患者接受了肝细胞移植。几个月前,我们展示了“拼图”移植,而现在,我们和布鲁塞尔的团队将其变成了现实。另外,这种方法并不仅限于治疗苯丙尿酮症。无论如何,我们的工作不会止步于此。因为在过去几年中,我们也仔细考察了干细胞的应用潜力。


Ⅳ·干细胞疗法的借用


干细胞是一类能够分化为不同成熟细胞的细胞。然而,干细胞常常分化不完全,导致分化后的细胞具有不同程度的功能,有些甚至还会功能不全。为了治疗代谢类疾病,不仅需要找出最有活力的干细胞,还要保证它能分化为成熟、完整的肝脏细胞。但是,从20世纪60年代发现干细胞以来,没有任何一种干细胞能通过严格的肝功能检测。


这时,我们在分离和制备移植肝细胞上的经验就派上用场了。我们的团队在胎盘羊膜上皮细胞中找到了一种干细胞,其在治疗肝脏疾病上有非常大的潜力。羊膜是一种袋状膜,它包裹着胎儿,让胎儿在9个月的妊娠期内沉浸在羊水中,受到保护。


特别的是,羊膜是一种没有血管且结构简单的组织,坚韧而有弹性。羊膜的最里面是一层上皮细胞(AE细胞),与胎儿直接接触。这些细胞在妊娠开始的头几天就形成了,那时婴儿还只是一个很小的胚胎,一大团细胞还没分裂成不同的组织。在生命形成的最初几天,一些细胞离开胚胎形成了羊膜,而羊膜正是妊娠成功的必要条件。AE细胞整齐而结实,发挥着多种功能,包括生成羊水以及在9个月后“打破羊水”。更重要的是,AE细胞还能保护胎儿免受母体免疫系统的伤害。若没有胎盘这一媒介,尤其是羊膜中的AE细胞,胎儿很可能会被母体的免疫系统认作为“外来物质”——毕竟胎儿中有一半遗传物质来自父系(而另一半显然来自母系)——因此会被母体排斥,早期自发性流产通常就是这种情况。


AE细胞在很早就形成了,并且持续存在直至妊娠结束,这些特点让它们显得非常特别而宝贵。我们知道,妊娠刚开始时的细胞,会发育成胎儿并能分化为人体内所有类型的细胞。AE就属于妊娠最早期的细胞,因此保留着分化成为各种细胞的潜力。所以,很多研究人员和临床医生开始对胎盘感兴趣,毕竟它们来源充足。


在2017年,意大利就有46万名新生儿呱呱坠地。在生产过程中,胎盘在婴儿出生后排出,通常被作为废弃组织丢弃。跟已经使用多年的脐带血一样,使用胎盘没有道德和宗教上的问题,这一点跟获取胚胎干细胞不一样。


经过十年的努力,我们的研究团队证实了提取自人类胎盘的AE细胞的治疗潜力。这项研究始于美国,但现在我们已经把它带到了欧洲,提供给当地的医学研究中心和医院。在这十年里,我们掌握了如何提取AE细胞,并将其运用于临床前研究,以评估它在治疗肝脏疾病方面的安全性和效率。


利用肝细胞移植的方法,将AE细胞注入病人体内后,AE细胞在肝脏微环境的作用下,能够成功分化为成熟、完整的肝细胞。直至今天,在治疗各种肝脏疾病领域,AE细胞仍是效果最好、应用潜力最大的一种干细胞。


零风险、无副作用(比如产生新疾病或肿瘤)的前景让人振奋不已。我们已经在患有肝病的动物模型身上移植了人类的AE细胞。由于在处理人类成熟肝细胞和肝细胞移植领域拥有丰富经验,我们设计了一项评估方法,用来评估AE细胞治疗肝脏疾病的效果,而这些疾病在此前都可以用肝细胞移植来治疗。


实验结果表明,这些干细胞为肝脏疾病的治疗带来了巨大帮助。AE细胞能提供短期支持,帮助恢复肝脏的自然再生能力,从而治疗急性肝炎。但AE细胞能做的还不只这些。接下来,我们研究了AE细胞能否为代谢类疾病提供新的治疗方法。枫糖尿症(MSUD)和上文提到的更加普遍的苯丙尿酮症,是最先被证实能用AE细胞治疗,并取得令人满意的治疗效果的疾病。目前,我们已经开始在研究其他遗传性疾病能否用AE细胞治疗。


通过新生儿筛查,医生能够从一开始诊断出多种代谢类疾病,并及时进行治疗,保证病人的生存。而第一种被认为有必要尽早诊断的疾病正是苯丙尿酮症——它是一种常见的代谢类病,在美国的发病率很高(在意大利更高)。我们的研究一直受到了美国苯丙尿酮症联盟的支持(不只是在经济上),因为联盟中的患者和他们的家庭在这种细胞疗法中看到了希望。


据估计,在意大利,每一万名婴儿中就有一名婴儿患有苯丙尿酮症。而现在,他们有望通过移植AE细胞获得治疗。在另一方面,尽管苯丙尿酮症在不同的发育阶段有着不同的发病率和严重程度,但病人通常不会被批准进行肝脏移植。这是因为,人们担心必不可少的免疫抑制疗法会对病人产生副作用,但病人又需要它来保护移植过来的组织和细胞。那么,对AE细胞来说,病人也必须接受免疫抑制疗法吗?


Ⅴ·再生医学疗法的春天


同器官移植一样,移植细胞也需要从与接受者具有一定匹配度的捐献者那里提取。因此,细胞疗法(包括干细胞和肝细胞)一直都需要服用免疫抑制药物,避免移植细胞的异体排斥现象。而AE细胞最让人欣喜的地方在于,它们可能不受严格匹配的限制,也就是说,移植这类细胞,可能不需要必须使用“烦人的”免疫抑制方案。到目前为止,在所有移植了人类AE细胞的动物身上,我们从未使用免疫抑制方案,也没有记录到任何免疫排斥现象。鉴于人类和老鼠完全不同,无须使用免疫抑制方案让人印象深刻。


在卡罗琳斯卡医学院,我们与其他意大利团队合作,进行了更加深入的研究。在AE细胞身上,还有许多值得研究的地方,尤其是它们在母体和胎儿的免疫系统上的作用。近来,我们与科学界分享了AE细胞的一些全新而奇妙的分子策略,包括4种此前从未在任何细胞中观察到的新策略。目前,我们正在利用这些机制,探索再生医学疗法,用于治疗肿瘤。这些新疗法将不仅可以用于肝脏,也可以用于人体的其他器官。


近年来,越来越多的研究团队开始对AE细胞的巨大潜力产生兴趣。寻找器官移植的代替或补充疗法,是再生医学的首要任务之一。


优秀科研团队之间的合作是开创新疗法的强大引擎。正是由于和优秀的意大利年轻科学家合作,比如卡利亚里大学的法比奥·马隆朱和热那亚IRCCS医疗中心的法比奥·莫兰蒂,我们才取得了重要的研究成果。另外,与巴里大学、都灵大学和贝加莫马里奥·内格里药理研究所的联合研究,让我们能够一次次取得更大的成功。也许在不久的将来,我们就能把这些疗法带到临床。


由于临床前研究的结果超出预期,我们打算尽快在卡罗琳斯卡医学院进行首例AE细胞临床移植。我们预计,最早在2018年下半年就能治疗首批病人。我们已经准备好生产用于临床的AE细胞,并在等待授权,建立首个AE细胞库。这个AE细胞库将类似于脐带血库和骨髓库,为细胞疗法提供额外或补充支持。另外,AE细胞还有一个重要的特点,即它们对目前的冷冻和解冻方案有很强的抵抗力。这一优点使得这些细胞能够随时待命,及时被运往全球的任何一家移植中心。


或许,首批能用上这种治疗方法的疾病就是那些“孤儿病”,其他所有能够通过肝细胞移植治疗的代谢类疾病也将从中受益。


由于在处理人类成熟肝细胞以及将其用于临床移植上拥有丰富经验,我们希望能够在最短的时间内,扩大能够治疗的疾病范围。通过细胞移植、肝细胞移植和胎盘AE细胞移植,我们有望找到新的治疗方法,用于治疗目前无法医治的肝脏疾病。不仅如此,AE细胞还有可能用于治疗肺部、肾脏和神经系统方面的疾病。在澳大利亚莫纳什健康中心,他们已经按照我们的方案进行临床治疗。我相信,很多其他机构也会陆续跟进。对任何年龄段的病人,细胞疗法都能为他们提供新的治疗方法。更为重要的是,最新的研究成果表明,细胞疗法或许可以用来治疗肿瘤。但是,这方面的应用还在讨论之中,并且我们还是处于临床前试验阶段。在所有人的合作和支持下,我们希望在未来几年,将细胞疗法变成具体、可行的治疗方法。


(作者:罗贝托·格拉米诺力,系瑞典卡罗琳斯卡医学院的助理教授,致力于研究治疗代谢类疾病和急性肝炎的细胞疗法。除肝细胞移植外,他还在推进创新型临床前研究,旨在实现首例无须免疫抑制方案的胎盘干细胞移植。)


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2018年09月06日 04:36
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