從藥學視角探討間充質干細胞產品研發的策略與進展

李曉靜，王 麗，趙春華，柳仁民，馬勝軍，李光耀，任少達*

(聊城大學 1. 藥學院； 2. 醫學院，山東 聊城 252000； 3.北京協和醫學院 基礎學院， 北京 100005；4.聊城市人民醫院 干細胞臨床研究實驗室， 山東 聊城 252000)

干細胞治療是指利用具有特定功能的干細胞進行修復或再生達到治療疾病的目的，是繼化學藥物、蛋白藥物等分子治療藥物之后發展起來的新型細胞治療手段之一[1]。隨著干細胞基礎研究和臨床轉化工作的日趨深入，發現干細胞治療產品對自身免疫性疾病、炎性疾病、退行性疾病等多種重大難治性疾病療效明顯，將對人類醫藥發展產生劃時代影響[2]。目前，歐美及亞洲多個國家都對干細胞的臨床應用極大關注并積極出臺扶持政策。目前，歐美及亞洲多個國家都對干細胞的臨床應用極大關注并積極出臺扶持政策，全球干細胞市場將繼續保持高速發展，未來幾年中國也會占據更多的市場份額。

然而，現有的干細胞產品在研究和開發過程中還存在一些問題，如治療療效有待提高、作用機制不夠明確、質量標準不夠完善、治療劑量和療程等不明確、不良反應原因不清楚等[3]。將干細胞產品按照“藥物”管理， 可為干細胞產品從研究開發到臨床應用提供重要保障， 是今后的發展方向。將傳統藥學學科，如藥物化學、藥理學、藥劑學、藥物分析學、 藥代動力學等思路和經驗應用到干細胞產品的研究、開發、生產和管理中，可能有助于解決這些制約干細胞藥物發展的關鍵問題。本文以目前基礎研究、臨床應用最為廣泛的間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)為例，從不同藥學學科角度進行探討分析，以期對MSCs的藥品研發、生產提供新的視角。

1 干細胞產品概述

MSCs具有自我增殖、多向分化、低免疫原性及免疫調節能力[1]。MSCs分泌多種抑炎因子，對T、B、DC和NK等多種免疫細胞具有免疫調節作用，且不受主要組織相容性抗原(major histacompatibility complex,,MHC)限制[4]。MSCs還分泌多種營養細胞因子，可促進自體細胞增殖起到組織修復作用[5]。與傳統藥物相比，干細胞藥品幾乎無不良反應或不良反應很小，對傳統治療手段治療效果不好的或無效的多種疑難病癥療效顯著[6]。已有臨床試驗證實MSCs對心血管疾病、骨科疾病、神經系統疾病、婦產科疾病、呼吸系統疾病、肝病、風濕免疫病和炎性疾病等均有治療作用。尤其是，科技部證實武漢已完成MSCs治療新冠肺炎(COVID-19)重癥患者200多例，其肺功能和癥狀改善明顯[7]。截至2020年4月，已有855項MSCs臨床研究方案在ClinicalTrial網站注冊，中國已批準54項MSCs相關的干細胞臨床研究項目。目前全球已批準13種MSCs藥物，中國已批準5項進入藥物臨床試驗，未來幾年全球將有更多干細胞藥物被批準上市。干細胞藥品是新藥研發的新趨勢，具有廣闊的市場前景。因此，探討MSCs與各個藥學分支學科的關系將有助于干細胞產品的研發。

2 從藥學學科角度探討MSCs產品研發

2.1 MSCs產品與藥物化學

藥物化學(medicinal chemistry)是在生物學和化學基礎上，研究藥物結構和活性的一門學科，其中先導化合物的發現和優化是藥物化學家的重要研究內容之一。從藥物化學的角度看，現有的“通用型”MSCs可視為先導化合物，具有多種藥理活性，在多種疾病中具有積極的治療效果，那么針對不同疾病的發病機制，在“通用型”MSCs的基礎上進行修飾和優化，獲得功能增強的“專用型”MSCs來治療特定疾病，就類似于藥物化學家對于先導化合物的優化過程。

MSCs發揮治療作用并不是簡單的細胞替代作用，而是通過分泌細胞因子改善微環境進而抑制炎性反應、調節免疫功能或刺激自體干細胞增殖等最終實現治療作用[8-9]。因此,優化MSCs的主要途徑就是通過預處理MSCs來調節其分泌的細胞因子從而增加免疫調節能力。目前MSCs預處理主要有3種策略：1)用基因編輯的手段升高或降低某一個或多個細胞因子的表達[10]；2)利用MSCs免疫調節的可塑性，通過不同微環境預處理得到不同細胞因子分泌譜的MSCs[11]；3)通過基因編輯的手段敲除人蛋白細胞抗原(human leukocyte antigen,HLA)分子表達來進一步降低MSCs的免疫原性，延長體內存活時間，但是安全性還有待進一步研究確認[12]。借鑒藥物化學的思維利用生物學的各種手段對MSCs進行修飾改造，獲得針對特定疾病的“專用型”MSCs，可能是干細胞產品的未來發展方向，可顯著推動干細胞藥物產業的發展。

2.2 MSCs產品與藥劑學

藥劑學(pharmaceutics)是研究藥物制劑的基本理論、處方設計、制備工藝、合理應用的綜合性學科。對藥物來說，選擇合適的輔料和劑型非常重要。從藥劑學的角度看，通用型或專用型MSCs即為“原料藥”，重懸用的液體或黏附的載體就是“輔料”。目前MSCs產品常見的輔料有0.9%氯化鈉溶液、富含血小板血漿、新型生物醫學水凝膠等。0.9%氯化鈉溶液是最常用的一種輔料，安全性雖高，但其僅能提供合適的滲透壓，所以未必是最合適的輔料。富含血小板血漿包含多種細胞因子，已有研究證實與MSCs聯合應用在多種疾病中可提高治療效果[13]。但是，富含血小板血漿成分、機制不明確，且來源受限，故其產業化應用也受到一定限制。新型生物醫學水凝膠是一種新型生物材料，其可負載特定的細胞因子，與MSCs聯合應用起固定作用提高其治療效果，是目前研究的另一個熱點[14]。干細胞輔料從功能上可分為3類：1)含有特定細胞因子的輔料，可促進MSCs在體內增殖、抗凋亡，延長在體內存活時間；2)含有協同治療作用的輔料，通過聯合應用提高治療效果；3)可提高體外保存時間和活性的輔料。目前干細胞輔料研究剛剛起步，開發成分明確、具有的特定功能的MSCs液體輔料是未來干細胞藥劑學研究的一個重要方向，對提高臨床應用效果具有重要意義。

2.3 MSCs產品與藥物分析

藥物分析(pharmaceutical analysis)是利用分析測試手段，發展藥物分析方法，研究藥物質量規律，對藥物進行全面檢驗與控制的科學。MSCs產品是一種全新的細胞藥物，質量分析評價需要引入先進的分析測試手段。干細胞藥物是一種活細胞，檢驗方法不僅要注意檢測靈敏度，還要注意時效性。比如無菌檢測，與常規細菌培養方法相比，若采用高通量測序可以大大提高檢測的靈敏度，縮短檢測時間。再比如免疫調節能力，傳統方法主要通過混合細胞培養方法進行檢測，但該結果容易受免疫細胞應答能力的影響，可以嘗試采用基于細胞的檢測(cell based assay,CBA)法檢測主要細胞因子分泌量或高通量測序檢測關鍵基因表達水平來取代。

人用藥品注冊技術國際協調會(International Conference on Harmonization of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use，ICH)指導原則中的《生物技術藥品的非臨床安全性評價指南》(S6)中要求：“從藥品的開發階段，就需要進行詳細的鑒定工作并制定全面恰當的質量標準”。建立科學完善的MSCs產品質量標準，是MSCs產品研究開發中的重要內容，可以充分借鑒藥物分析學科中關于藥品質量分析和控制的思路。目前MSCs質量標準包括生物學安全性、微生物學安全性、基本細胞生物學屬性及生物學有效性“四大類”質量屬性，檢測項目主要包括形態學、細胞株鑒別、細胞表面標志、無菌檢測、病毒檢測、免疫學反應、成脂成骨成軟骨分化能力、細胞活性及周期檢測等。根據藥物“安全、有效、質量可控”的質量要求，還應該適當增加影響MSCs治療有效性的細胞因子和轉錄因子的活性檢測，及時將國內外最新的研究共識納入到MSCs的質量標準體系中。

2.4 MSCs產品與藥代動力學

藥代動力學(pharmacokinetics)主要研究人體對藥物處置的動態變化，包括藥物在體內的吸收、分布、代謝及排泄的過程。雖然目前有些干細胞藥物已經進入臨床試驗階段，但是干細胞藥物的分布、代謝等系統性研究尚處于起步階段。已有研究證實人體靜脈注射MSCs，主要在肺內積累，在肝、腎、脾和其他受損器官也有分布，這種現象主要與血液循環和MSCs歸巢特性有關[15]。靜脈注射后進入體內的MSCs存活時間在1 d左右，通常在48 h內被免疫系統代謝清除，清除時間長短與機體免疫系統和MSCs的HLA表達水平相關。MSCs體內分布和代謝研究可采用細胞體外標記后再移植入體內的方法，目前主要的標記方法有熒光素酶、近外紅染料、熒光蛋白和磁性離子等，相應地檢測方法有生物發光成像、磁共振成像、單光子發射CT(computer tomography)掃描等，可以動態觀察干細胞在體內的分布情況[16-19]。

藥代動力學數據是決定藥物服用劑量、用藥時間、分析產生毒副作用原因的主要依據。與常規藥物類似，MSCs產品需要制定合適的給藥劑量與時間。目前多數研究采用簡單的遞增方法，探究療效與劑量、時間之間的關系，如果能夠通過藥代動力學研究清楚MSCs在體內具體分布、存活時間和命運歸宿，在此基礎上再確定最佳使用劑量和時間可能就更加合理[20]。干細胞藥物的體內藥學特征與傳統藥物存在很大差別。MSCs的體內動力學受細胞來源、致病模型、細胞培養方式、治療方式、機體衰老程度、細胞衰老程度等影響[21]。深入研究干細胞藥代動力學，有助于預測在體內的分布、代謝規律，提高干細胞產品的臨床療效，降低毒副作用。

3 問題與展望

近年來，化學藥物、傳統外科等醫療手段已越來越受到慢性病、人口老化及腫瘤高發的挑戰，以干細胞治療等為代表的治療新技術快速發展，已成為當今生物醫藥領域研發的熱點。中國干細胞基礎與臨床轉化研究處于國際先進水平，多個MSCs產品已經在臨床上顯示了較好的療效，采用“藥物”模式管理MSCs產品已成為國內外的共識。

MSCs的“藥物”之路才剛剛開始，借鑒傳統藥物的研發思路將大有裨益。運用藥物化學的思維，優化現有的通用型MSCs，研究針對特異性疾病的專用型MSCs，有助于解決其作用機制不明、選擇性不強的問題；運用藥劑學的思維，開發新型的MSCs輔料，有助于增強MSCs的功能和療效；運用藥物分析的思維，引入最新的分析測試方法，制定全面的MSCs質量標準，有助于MSCs的質量管理和控制；運用藥代動力學的思維，探索新的技術手段，研究干細胞產品在體內分布、代謝規律，建立體內動態分布和療效之間的關系，將有助于解決干細胞產品臨床應用的用藥問題。

干細胞藥物是一個復雜的整體，單純的一門藥學學科無法解決所有問題，需要多個學科的共同努力。通過藥學專家的加入，融合新藥研發的思路與方法，將干細胞新藥研發引入標準跑道，已經成為行業未來的發展趨勢。隨著干細胞、藥學、臨床醫學、生物材料等多個領域專業人士的加入，通過多方努力，相信會有越來越多的干細胞藥品被規范研發、批準上市，最終惠及廣大病患。