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Nature:重大进展!新方法改善干细胞疗法安全性

来源:本站原创 2018-11-18 09:12

2018年11月18日/生物谷BIOON/---在澳大利亚南部,一种传染性的面部肿瘤在袋獾(Tasmanian devil)中肆虐。在袋獾为争夺食物或交配权而相互撕咬时,肿瘤细胞会借机进入被咬的袋獾脸上的伤口,并以惊人的速度扩散,造成袋獾脸部溃烂,气道堵塞,难以进食,在饥饿中死去。这种面部肿瘤的可怕之处在于被咬的袋獾的免疫系统并不识别这些肿瘤细胞,因而它们并未遭受免疫排斥,这样肿瘤就能够在被咬的袋獾中生长。袋獾之间的这种肿瘤细胞传播本质上是一种细胞移植,它表明引入宿主免疫系统无法识别的细胞是可能的。

2007年,科学家们获得的人诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cell, iPS细胞)---对成体细胞进行基因改造使得它们返回到一种多能性干细胞状态而有潜力变成体内的任何一种细胞类型---可源源不断地供应干细胞同时没有使用胚胎干细胞所面临的伦理争议而有望引发这个领域的变革。但是,与胚胎干细胞一样,iPS细胞具有不受控制生长和发生潜在癌变的倾向。这一点,再加上ips细胞制备时的基因突变风险和成本,已阻断了它们在临床应用中的使用。

将一种细胞疗法从实验室转移到临床需要解决两个重要的问题:它是否是有效的?它是安全的吗?细胞疗法的安全性涉及阻止或降低治疗中使用的细胞产生肿瘤或不想要的组织或者触发可能危及患者健康的免疫反应的风险。
图片来自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0733-7。

在一项新的研究中,来自加拿大多伦多大学、卢内菲尔德-塔嫩鲍姆研究所(Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute)和英国爱丁堡大学的研究人员通过对干细胞进行编程使得当它们发生有害于患者的突变时就会死亡,从而改善了干细胞疗法的安全性。开发出“安全细胞(safe cell)”是实现细胞疗法广泛应用的关键一步。相关研究结果于2018年11月14日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Linking a cell-division gene and a suicide gene to define and improve cell therapy safety”。论文通讯作者为多伦多大学妇产科教授和卢内菲尔德-塔嫩鲍姆研究所高级研究员Andras Nagy。

Nagy着手研究了癌细胞如何逃避免疫系统。这不是一件容易的事。免疫系统是非常复杂的,涉及许多擅长根除入侵者的细胞类型,这就是为什么传染性癌症几乎不存在的原因。就袋獾而言,一种常见的理论是,从遗传学角度来看,这些动物太相似了,而且这种面部肿瘤能够利用这一点来逃避免疫监测。因此,这如何可能适用于更具遗传多样化的人类呢?关键是找到合适的基因:Nagy和他的团队鉴定出8个基因在免疫力中起着至关重要的作用。

基于此,Nagy推断正如袋獾的面部肿瘤能够通过关闭合适的基因开关来逃避免疫监测一样,他的ips细胞可能类似地对免疫系统是隐性的,即它们不能够被免疫系统检测到。在小鼠中的测试结果表明这些隐性细胞(cloaked cell)起作用了。这就是导致了另一个问题。

Nagy说,“隐形细胞可能是非常危险的,这是因为它们可能会产生同样是隐形的癌细胞。免疫系统的一个重要的功能是消除我们体内的看起来奇怪的可能具有致瘤性的细胞温床。因此,我们产生了一种高度容易形成肿瘤的细胞类型,这是一个问题。我们必须解决这个安全问题。”

安全细胞的概念源于这种确保安全的需要,或者至少是量化风险的能力。这可能是将ips细胞疗法应用于患者身上的最大障碍:到目前为止,没有人能够精确地预测一批细胞可能出现异常的可能性。在这项新的研究中,Nagy及其团队设计了一种方法来增加细胞移植物的安全性,并设计出一种方法来量化突变“不安全性(unsafeness)”的风险,这样人们就能够针对这种风险是否可接受作出明智的决定。

安全细胞计算的核心在于突变。DNA复制容易出错,突变是不可避免的。在细胞疗法中,突变正是人们不想要的,这是因为它能够消极地改变预期的结果,比如通过产生肿瘤而不是治疗囊性纤维化、糖尿病或任何其他目标疾病。再者,细胞疗法中所需的细胞越多,细胞分裂就越多,这意味着发生突变的几率也就越高。

基于此,Nagy团队找到了一种方法来预测产生具有潜在危险的治疗性细胞的几率,并通过基因编辑来降低这些几率。经过基因编辑的细胞具有一个拼接到DNA中的自杀基因(HSV-TK),这个自杀基因直接连接到细胞分裂和存活所必需的一个基因(CDK1)上。如果检测到有害突变,那么使用一种小分子药物就能够阻止这些细胞发生分裂和造成伤害。它们也是隐形的,也就无需进行免疫抑制。

Nagy说,“我们对安全细胞有绝对的外部控制。突变有可能破坏这个自杀基因,但不会让这个细胞分裂基因受到伤害。不过,我们能够计算出这种突变发生的概率,这就是安全细胞水平(safe cell level)的产生方式。”

安全细胞水平测量本身基于获得一批包含突变细胞的细胞的概率。在这种情况下,安全细胞水平越大,安全性越高。安全细胞水平为100意味着获得一批突变细胞的概率是1/100;安全细胞水平为1000000意味着获得一批突变细胞的概率是1/1000000。

Nagy描述道,“重要的是患者能够决定接受什么水平。因此,与患有非危及生命的疾病的病人相比,如果有人患有危及生命的疾病,而且他们的生存机会只有10%,那么一个较低的安全细胞水平可能是可接受的。”

根据迄今为止的反馈结果,Nagy乐观地认为他们正朝着正确的方向前进。他的下一步是在动物模型中进行更多测试。他已经开始与加拿大卫生部进行沟通,以便开展人体临床试验。他还创建了一家新公司panCELLa来帮助完成这些工作。如果这种安全细胞方法能够在所有iPS细胞制备中实施,那么它很可能成为细胞治疗安全性的标准,用于提供可信的和可预测的测量,并允许经过基因编辑的ips细胞快速推进到临床试验和临床批准。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Qin Liang, Claudio Monetti, Maria V. Shutova et al. Linking a cell-division gene and a suicide gene to define and improve cell therapy safety. Nature, Published Online: 14 November 2018, doi:10.1038/s41586-018-0733-7.

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