干细胞治疗的机会窗口(三)

A window of opportunity for stem cell therapy

　　
　　黑箱中的小老鼠：设想有一个密封的黑箱（black box），黑箱的四壁为非常厚的铅层，只有一个小窗可以打开，只有打开小窗才能使光线进入黑箱使我们观察箱内。假设箱内有一个行动迅速的小老鼠非常想逃出黑箱，小窗一旦打开就会发现小老鼠在窗口处。问题是：在不打开小窗时，老鼠在哪里呢？老鼠在干什么呢？

　　所谓黑箱是指这样一个系统，我们只能得到它的输入值和输出值，而不知道其内部结构。人们对于黑箱过程并非无所作为，如果将小老鼠放入黑箱前对其进行遴选、甄别，了解其习性并加以模拟和训练，就有可能对黑箱中小老鼠的行为规律做出判断，而不是根据“打开窗口时老鼠就在窗口”的结果就得出老鼠就一直呆在窗口的结论。

　　干细胞临床应用恰如将一群小老鼠关入黑箱，干细胞植入体内后我们不知道它们去了哪里，做了些什么？只能静静观察身体出现的相关反应，以及不相关的“安慰剂效应”等。干细胞的“黑箱”过程触及生命本质问题，挑战了传统的医疗技术和药物开发一些基本思想体系，但人们有能力从伦理学、安全性、有效性、质量可控性和技术经济可行性几个方面入手，在将干细胞植入受者体内前对其进行筛选、观察、操作、模拟以及控制，从而突破制约干细胞治疗“机会窗口”开启的技术瓶颈。

三、制约干细胞治疗“机会窗口”开启的技术瓶颈
　　

　　1. 合理的干细胞来源的是其临床应用的出发点

　　许多实验室发布自己在干细胞领域的研究成果，而事实上多数发表在顶级刊物上研究成果却难以重现，排除试剂、装备、操作等方面的因素，干细胞做为研究主体，其来源的差异对研究结果的判断影响不容忽视。
　　
　　干细胞供者遗传背景复杂难以追溯：家族史、既往病史、性别、年龄、种族、血型、组织相容性抗原、身体条件（体格、体质以及精神、心理、生理疾病等）、生活习性（饮食习惯、工作习惯、休息习惯、运动习惯、用药习惯、吸烟饮酒习惯等），生存环境（大气环境、水环境、生物环境、地质和土壤环境和其他自然环境，居住环境、工作环境、交通环境、文化环境和其他社会环境等）。受各种物理、化学、生物因素的动态影响，世界上不存在两株遗传背景一致的干细胞。
　　
　　不同组织来源干细胞生物学特性似是而非：人体260多种组织均由干细胞分化而来，干细胞无处不在，有细胞活动的地方就有干细胞的身影，干细胞的组织来源非常丰富，包括胚胎、成体组织(骨髓、牙髓、毛囊、上皮、肌肉、血管、脂肪、粘膜、神经等)、围产期组织（脐带、羊水、羊膜、胎盘、脐血等）、体液及分泌物（血液、淋巴液、经血、乳汁、尿液、泪液、唾液、汗液）中均含有干细胞。但是不同组织来源的同种细胞生物学特性却似是而非，例如间充质干细胞，除了骨髓、脐带来源外，脂肪干细胞、胎盘干细胞、宫内膜干细胞、外周血干细胞、毛囊干细胞、牙髓干细胞、粘膜干细胞、羊水干细胞、羊膜干细胞、乳汁干细胞、尿液干细胞等均含有或本身就是间充质干细胞。
　　
　　不同种类干细胞缺乏明确界定且可相互转化：干细胞大致可以分为全能干细胞（胚胎干细胞、生殖母细胞、诱导性多能干细胞等），亚全能干细胞（vsel细胞、muse细胞，胎儿、胎盘亚全能干细胞等）、多能干细胞（间充质干细胞、造血干细胞等）、寡能干细胞（血管干细胞、淋巴样干细胞等）、专能干细胞（成纤维细胞、肝细胞、神经祖细胞等）。干细胞种类包罗万象，不同种类干细胞之间是动态渐变的，并没有严格区分界限，而且在某些条件下它们可以相互转化，甚至多数高度分化的细胞在特定条件下同样具有干细胞特性。比较细胞与干细胞的定义，几乎所有活着的细胞都可以被称作“干细胞”，区别仅在于干性（stemness）的强弱。

　　干细胞为动态活物缺乏一致性：目前临床上包括抗生素、化学小分子、生物大分子在内的药物等均为结构和成分明确并相对稳定的体系。而干细胞不但成分不确定，其大小、形态各异，有老有小、有强有弱，功能、行为、状态不同，世代不一、多代同堂，宛如大千世界芸芸众生相。可以想见在体内干细胞有的在生长、增殖，有的在分化、在分泌；有的在休眠，有的在迁移；有的在辛勤地建造自己的niche，有的在恶劣微环境中挣扎；去有的帮助组织再生，有的为疾病铺路...同种干细胞的在不同微环境中可以改头换面，不同种类的干细胞生物学性状又可以相互交叠，可以说干细胞是一些定义不清、标准不明，分化能力不一，摸样大致有点相像，多代同堂，个个都能干的“派系”细胞。

　　供临床用干细胞种类（组织来源）的选择可考虑以下几方面：a. 无伦理学障碍；b. 材料有稳定的来源；c. 具有明确筛选指标和理论依据；c. 符合规模化制备要求；c.体外过程可控性； 6. 安全性在可接受范围内；下图总结了一些干细胞的临床应用前景：

　　2. 有效的评价技术是干细胞临床应用的基本前提

　　　规模化制备并非制约干细胞产业化的关键技术：一方面，目前干细胞库技术、规模化扩增技术、无血清培养技术、超低温保藏及冷链传输技术等已基本成熟，多数干细胞开发机构能够制备出足量的干细胞制品供临床前和临床研究用。另一方面，cGMP已在国际上施行数十年，制药行业的经验积累为干细胞产业化制备提供了可以借鉴的丰富知识，国际机构和先进国家也提出了FACT、AABB及GTP等标准用以参考。
　　　
　　　质量可控性是干细胞临床安全性和有效性的基础和前提：干细胞组织来源多样，供者遗传背景复杂，体外分离、纯化、扩增、诱导和细胞制品制备过程漫长且要引入抗生素、生长因子、抗体、胶原酶、蛋白酶、动物血清等多种外来成分；还可能污染细菌、支原体、病毒等外源因子；体外操作过程可能会引起干细胞的增殖潜能、分化潜能、生物学效力、组织相容性抗原、端粒酶、核型、原癌抑癌基因等发生改变带来免疫毒性和致瘤风险；在保存、运输、复苏、配制过程中，细胞制品的存活率、生物学效力、均一性无时不在变化。在其制备过程及细胞制品缺乏有效的质量控制方法和标准的情况下，干细胞临床应用的安全性和有效性无法实现。
　　　
　　　干细胞制品普遍缺乏有效性评价指标：目前临床上一般采用活细胞计数方法决定输注干细胞数量，在个别病人身上干细胞治疗似乎显现出了“令人惊讶”的效果，而在更多患者则反映“没什么效果”，呈现出“冰火两重天”情况。事实上，干细胞的体外操作是一个动态过程，活细胞数量并不能有效反映干细胞的生理状况的改变，有人甚至将处死的干细胞输注到动物体内获得了与输注活细胞相当的试验结果，这里引入一个干细胞的定义单位——生物学效力（biological potency）。
　　　生物学效力或称为“效价”是一个评价生物药物有效性的重要指标，用来测量药物产生特定生理功能的浓度或数量；生物药物的物理数量（质量）往往无法直接代表其生物学效力，如蛋白质失活后含量不变效力下降，一般需要重新定义效价单位做为金标准来衡量其生物学效力；譬如：通常用抑菌试验的半数抑制微生物生长的最高稀释度测量抗生素效价单位，干扰素用细胞病变抑制法（CPE）测量能抑制50％细胞病变或50％病毒空斑形成效应的最高稀释度来测量干扰素活性单位；
　　　干细胞的生物学效力的要求：a.效力指标设定需要找出与临床治疗效应相关的关键机理通路，能够真实反映量效关系，要考虑到干细胞是多靶点、多通路的；b. 效力指标设定需要能够代表细胞制品在制备过程中与临床使用时具有一致性；c. 效力指标设定应是优化的，最好用体外试验来替代动物模型，要求操作便捷、能够成为制品放行标准；d. 效力指标设定应通过分析方法学验证：线性、范围、准确度、精密度（包括重复性和重现性）、检测限、定量限和耐用性等；
　　　细胞表面标志物虽可以用来鉴别干细胞的种类和评价干细胞的纯度，但无法直接反映细胞的生物学功能，甚至无法区分细胞死活；诱导分化试验虽然比较直接，但是很难定量，而且周期长、变异性大；细胞共培养法问题更加突出，除了周期长变动大外，供试细胞株来源差异极大，经常造成矛盾的实验结果；miRNA及因子表达直接测定难以反映体内状况...
　　
　　实验动物模型困扰干细胞临床前安全性和有效性评价: 实验动物常用来评价新药的体内分布、代谢，有效性、急性毒性、特殊毒性、长期毒性等，为新药人体临床观察提供基础数据。动物模型建立的一般原则：a. 在动物身上复制的模型应尽可能近似于人类疾病的情况；b. 物模型应该是可重复的，甚至是可以标准化的；c.复制的模型可特异地、可靠地反映疾病机能、代谢、结构变化和主要症状和体征；d.复制动物模型时应尽量考虑到今后临床应用和便于控制其疾病的发展；e.复制动物模型时所采用的方法应尽量做到容易执行和合乎经济原则。
　　但是，在动物模型是否能够为临床研究提供有效参考仍然值得怀疑：a.干细胞可增殖、可转化,可被排斥，不符合一般药物代谢规律；b.干细胞具有种属特异性，异种干细胞植入难以说明问题，同种植入供试品又与未来临床试验不一致；c. 干细胞组织配型（不相合、半相合，相合）试验难以实现；d. 标记后的干细胞生物特征发生改变，定植、分化、转实验归追踪困难；e.动物生命周期不足以体现人类干细胞长期植入后果。f.动物生理结构、细胞周期与人类存在差异，动物干细胞制备成本相当于开发一种新来源的干细胞，开发者缺乏制备动物干细胞的积极性。