干细胞衍生的外泌体与干细胞疗法

1970-01-01 08:00来源：人参果细胞网作者：

干细胞治疗干细胞，包括胚胎干（ES）细胞、诱导多能干（iPS）细胞和成体干细胞，具有自我更新和产生分化细胞的能力。它们分化成不同组织细胞的潜力使其在再生医学中的应用特别有趣——例如，ES细胞衍生的心肌细胞移植有望用于心肌再生。然而，自1957年开发出第一种使用干细胞的疗法以来，只有少数基于干细胞的疗法进入临床。根据美国国立卫生研究院（NIH）的数据，已有数千项干细胞治疗相关临床试验注册。

目前，唯一获得美国食品和药物管理局（FDA）批准的干细胞疗法是造血祖细胞（HPC）移植用于患有影响造血系统疾病的患者的造血和免疫重建。此外，一些源自间充质干细胞或组织特异性干细胞的干细胞产品已被批准用于临床，例如在加拿大批准用于治疗急性移植物抗宿主病的Prochymal，以及在美国批准用于治疗急性移植物抗宿主病的Holoclar。欧洲修复受伤角膜[1]。缺乏临床转化可能是由于干细胞治疗存在一些不可避免的缺点。干细胞直径较大，静脉注射后可能会在肺部积聚，从而产生输注毒性。此外，同种异体干细胞携带可能引发免疫反应的抗原。此外，干细胞注射可能会导致肿瘤并发症，包括血液和非血液恶性肿瘤（分别为畸胎瘤和非畸胎瘤）[2]。观察到的干细胞的一些有益作用可能部分归因于它们的旁分泌作用，而不是移植干细胞的长期植入[3]。

干细胞来源的外泌体干细胞就像人体中的所有其他细胞一样，释放外泌体以相互交流。外泌体是直径约40-160nm的膜结合囊泡，通过内体途径从细胞中释放。外泌体以核酸、蛋白质、脂质和代谢物形式存在的多种成分，不仅反映了它们的细胞起源，而且赋予它们潜在的治疗功能，类似于它们的供体细胞，可用于无细胞疗法[4]。因此，干细胞来源的外泌体的治疗应用已被临床前探索。

至少有150项临床试验已在ClinicalTrials.gov上注册，研究基于外泌体的疗法治疗多种疾病，包括呼吸道疾病、传染病和癌症（在www.clinicaltrials.gov上使用“外泌体疗法”作为关键词搜索）。在这些试验中，31项应用源自干细胞（主要是来自不同组织的间充质干细胞）的外泌体，并作为间充质干细胞疗法的替代方案进行测试。这些临床前和临床研究表明，干细胞释放的外泌体可能部分重现其供体细胞的治疗效果，而没有干细胞治疗固有的缺点（表1）。

与干细胞相反，外泌体不能自我复制，消除了对干细胞移植后潜在肿瘤形成的担忧。外泌体也足够稳定，适合长期冷冻储存和冻干后室温储存。它们的小尺寸进一步允许通过过滤进行灭菌[5]。此外，外泌体可以通过多种途径施用；例如，雾化或冻干的肺干细胞来源的外泌体可以通过吸入给药来治疗肺部疾病[5,6]。此外，它们的亲水腔和含有膜蛋白的磷脂双层可以被工程化和修饰以展示分子或用于药物装载；最近，肺干细胞衍生的外泌体被重组SARS-CoV-2的受体结合结构域修饰，作为可吸入的COVID-19疫苗[7]。

2020年，CodiakBiosciences启动了首个工程化外泌体疗法（exoSTING[8]）的临床试验（NCT04592484 ），用于治疗多种实体瘤，表明工程化外泌体可能是干细胞源性外泌体治疗应用的未来方向。

干细胞来源的外泌体的临床转化

干细胞和外泌体治疗的市场前景广阔。据全球市场报告显示，预计到2030年全球干细胞市场将达到316亿美元，全球外泌体市场预计到2030年将达到10.3亿美元。美国国立卫生研究院于2017年发布了美国国立卫生研究院人类干细胞研究指南。

2009年，主要包括有关人类ES和iPS细胞的监管标准和伦理问题。此外，一些国际协会，包括国际干细胞研究学会和国际细胞外囊泡学会，提出了解决干细胞和外泌体研究中存在分歧问题的指南[9,10]。这些指南为干细胞和外泌体研究提供资源；然而，全球对其临床转化和制造的共识仍然难以实现。值得注意的是，FDA必须发布几项关于干细胞和外泌体产品的公共安全通知。因此，需要针对干细胞和外泌体治疗制定全面的标准和法规。令人鼓舞的是，第一个干细胞相关国际标准（ISO24603）于2022年8月发布，外泌体研究也可参考该标准，以标准化外泌体治疗的外泌体生产上游步骤。

干细胞和外泌体疗法的临床转化依赖于在良好生产规范（GMP）设施中大规模生产干细胞和外泌体。HPC移植的发展嵌合抗原受体（CAR）-T细胞促进了细胞治疗产品GMP设施的建立。然而，用于外泌体生成、分离和质量控制的GMP设施仍然有限。用于实验室规模分离外泌体的基于烧瓶的培养系统和超速离心方法缓慢、费力，并且与GMP级外泌体的大规模生产不兼容。或者，正在探索生物反应器系统和中空纤维膜分别用于细胞培养和过滤，以大规模生产外泌体。

此外，需要进行彻底的质量控制，以最大限度地减少外泌体的批次间差异。因此，需要能够准确且可重复地表征外泌体的方法，包括浓度、粒径、Zeta电位和外泌体标记。ZetaView、Amnis、ImageStream和ONINanoimager等仪器能够表征外泌体的理化性质，并可能取代纳米颗粒跟踪分析、动态光散射、蛋白质印迹和流式细胞术等传统方法。外泌体质量控制还应考虑外泌体的异质性，其受到供体细胞状态和分离方法的影响。

因此，需要标准化的操作流程，这可以基于腺相关病毒的制造，类似于外泌体的生产和纯化。应建立一个精简的封闭操作系统，将外泌体的大规模生产与可归档的质量控制测试计划结合起来。

参考资料：

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