干細胞外泌體與干細胞療法的區別

干細胞療法正被探索用于治療各種疾病，包括血液病、免疫病、神經退行性疾病和組織損傷。另外，干細胞衍生的外泌體可能提供類似的臨床益處，而沒有與活細胞移植有關的生物安全問題。然而，大規模的制造和純化，批次與批次之間的差異，以及對外泌體復雜載體的分析，將需要得到解決，以實現其臨床轉化。

干細胞，包括胚胎干（ES）細胞、誘導多能干（iPS）細胞和成人干細胞，具有自我更新和產生分化細胞的能力。它們分化成不同組織細胞的潛力使它們在再生醫學中的應用特別有趣–例如，ES細胞衍生的心肌細胞移植對心肌再生很有希望。

然而，自從1957年開發出第一個使用干細胞的療法以來，只有少數基于干細胞的療法進入了臨床。根據美國國立衛生研究院(NIH)的數據，已有數千項干細胞治療相關的臨床試驗被注冊。

目前，美國食品和藥物管理局（FDA）批準的唯一干細胞療法是造血干細胞移植，用于影響造血系統的疾病患者的造血和免疫學重建。此外，少數源自間間充質干細胞或組織特異性干細胞的干細胞產品已被批準用于臨床，如加拿大批準用于治療急性移植物抗宿主疾病的Prochymal，以及歐洲批準用于修復受傷角膜的Holoclar1。缺乏臨床轉化可能是由于干細胞療法存在一些不可避免的缺點。干細胞的大直徑可能會導致它們在靜脈注射后積聚在肺部，從而產生輸液毒性。此外，異體干細胞攜帶抗原，可能會引起免疫反應。

此外，干細胞注射可能會導致腫瘤并發癥，包括血液學和非血液學惡性腫瘤（分別為畸胎瘤和非畸胎瘤）。 一些觀察到的干細胞的有益作用可能部分是由于其旁分泌作用，而不是移植的干細胞的長期移植。

干細胞來源的外泌體

干細胞，就像人體中的所有其他細胞一樣，釋放外泌體以相互交流。外泌體是膜結合的囊泡，直徑約為40-160nm，通過內體途徑從細胞中釋放出來。外泌體以核酸、蛋白質、脂質和代謝物形式存在的多種成分，不僅反映了它們的細胞來源，而且賦予它們潛在的治療功能，類似于它們的供體細胞，可用于無細胞療法。因此，臨床前探索了干細胞衍生的外泌體的治療應用。

至少有150項臨床試驗已在ClinicalTrials.gov上注冊，研究各種疾病的基于外泌體的療法，包括呼吸系統疾病、傳染病和癌癥（在 www.clinicaltrials.gov 上使用“外泌體療法”作為關鍵字搜索）。

在這些試驗中，31項應用了源自干細胞的外泌體，主要是來自不同組織的間充質干細胞，這些試驗被測試為間充質干細胞療法的替代方案。這些臨床前和臨床研究表明，干細胞釋放的外泌體可能部分重現其供體細胞的治療效果，而沒有干細胞治療固有的缺點（表1）。

治療	臨床試驗數量	優點	缺點
外泌體療法	158項研究	小尺寸 免疫反應和腫瘤形成的風險最小 穩定，可長期儲存和運輸 沒有道德問題 多條送貨路線 可以被設計用來運送藥物載體	難以大規模制造和提純 批次間差異 沒有兼容的GMP設施 沒有既定的法規和標準
干細胞療法	7,018項研究	易于隔離和大規模擴展 多向分化潛能 長期植入 廣泛的臨床前和臨床研究結果 完善的FDA指南	腫瘤并發癥 融合毒性 免疫原性 嚴酷的儲運條件 倫理道德問題

與干細胞不同，外泌體不能自我復制，從而消除了對干細胞移植后可能形成腫瘤的擔憂。外泌體也足夠穩定，可以長期冷凍保存和凍干后室溫保存。它們的小尺寸進一步允許通過過濾進行滅菌。此外，外泌體可以通過多種途徑給藥；例如，霧化或凍干的肺干細胞來源的外泌體可以通過吸入給藥來治療肺部疾病。

此外，它們的親水腔和含有膜蛋白的磷脂雙層可以被設計和修飾以展示分子或用于藥物裝載；肺干細胞衍生的外泌體最近裝飾有重組 SARS-CoV-2的受體結合域，作為可吸入的COVID-19疫苗7。

2020年，Codiak Biosciences啟動了第一個工程化外泌體療法（exoSTING?）臨床試驗（ NCT04592484?），用于治療多種實體瘤，表明工程化外泌體可能是干細胞來源外泌體治療應用的未來方向。

干細胞來源的外泌體的臨床轉化

干細胞和外泌體治療的市場前景看好。根據全球市場報告，全球干細胞市場預計到2030年將達到316億美元，全球外泌體市場預計到2030年將達到10.3億美元。美國國立衛生研究院于2017年發布了美國國立衛生研究院人類干細胞研究指南2009年，主要包括人類ES和iPS細胞的監管標準和倫理問題。

此外，一些國際協會，包括國際干細胞研究學會和國際細胞外囊泡學會，已經提出了解決干細胞和外泌體研究中存在分歧的問題的指南。這些指南為干細胞和外泌體研究提供了資源；然而，關于它們的臨床轉化和制造的全球共識仍然難以捉摸。值得注意的是，FDA不得不發布幾項關于干細胞和外泌體產品的公共安全通知。

因此，需要針對干細胞和外泌體治療制定全面的標準和法規。令人鼓舞的是，第一個干細胞相關國際標準（ISO 24603）于2022年8月發布，外泌體研究也可參考該標準，以標準化外泌體生產的上游步驟，用于外泌體治療。

干細胞和外泌體療法的臨床轉化有賴于在良好生產規范（GMP）設施中大規模制造干細胞和外泌體。HPC移植和嵌合抗原受體（CAR）-T細胞的發展促進了細胞治療產品的GMP設施的建立。然而，用于生成、分離和質量控制外泌體的GMP設施仍然有限。用于實驗室規模分離外泌體的燒瓶式培養系統和超速離心法速度慢、費力，而且不適合大規模制造GMP級外泌體。另外，目前正在探索生物反應器系統和中空纖維膜，分別用于細胞培養和過濾，以便大規模生產外泌體。

此外，需要徹底的質量控制，以盡量減少外泌體的批次間差異。因此，需要能夠準確和可重復地表征外泌體的方法，包括濃度、顆粒大小、Zeta電位和外泌體標記物。ZetaView、Amnis、ImageStream和ONI Nanoimager等儀器能夠對外泌體的理化性質進行表征，并可能取代傳統的方法，如納米粒子追蹤分析、動態光散射、蛋白質印跡和流式細胞儀。外泌體質量控制還應該考慮外泌體的異質性，它受到供體細胞狀態和分離方法的影響。

因此，需要有標準化的操作程序，這可以基于腺相關病毒的制造，這與外泌體的生產和純化類似。應建立一個精簡的封閉式操作系統，將外泌體的大規模制造與可歸檔的質量控制測試程序相結合。這樣一個數字化和自動化的系統可以通過減少人工操作和實施批次統一來進一步降低外泌體產品的成本。

參考資料：Zhang, K., Cheng, K. 干細胞衍生的外泌體與干細胞療法。 Nat Rev Bioeng (2023)。https://doi.org/10.1038/s44222-023-00064-2

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