阐述干细胞疗法产品从理念到临床成功使用服务的转化过程

再生医学是一种新的、有前途的治疗模式，适用于治疗疾病的选择有限或没有其他选择的患者。由于它们通过抑制炎症或细胞凋亡、细胞募集、刺激血管生成和分化而具有多效性治疗潜力，因此干细胞为几种具有挑战性的人类疾病提供了一种新颖而有效的方法。近年来，临床前研究中令人鼓舞的发现为许多使用干细胞治疗各种疾病的临床试验铺平了道路。这些新的治疗产品从实验室到市场的转化是在主管监管机构提供的高度明确的法规和指令下进行的。

2022年美国芝加哥大学芝妇产科在《Int J Mol Sci》国际分子科学杂志发表一篇为《干细胞疗法：从理念到临床实践》，这篇综述旨在让读者熟悉干细胞产品从想法到临床实践的转化过程。

在这篇综述中，我们概述了干细胞疗法从理念到临床服务的转化。了解将想法转化为医疗服务的循序渐进知识是引入新治疗方法的第一步。我们将这一途径分为四个层次，包括干细胞基本特性、临床前研究、临床试验研究和临床实践。我们不仅关注了解每个级别的要求，还讨论在从一个级别过渡到下一个级别的过程中如何评估一个想法，最终服务于大众。

干细胞是一组未成熟的细胞，由于其独特的增殖、分化和自我更新能力，它们具有构建和恢复体内每个组织/器官的潜力。干细胞提供治疗效果，通过再生受损细胞来帮助器官恢复，从而改善身体发育。依靠干细胞的天然能力，研究人员已将其生物学机制用于基于干细胞的治疗。

干细胞促进组织再生的作用机制多种多样，包括 (1) 抑制炎症级联反应，(2) 减少细胞凋亡，(3) 细胞募集，(4) 刺激血管生成，和 (5) 分化。

在选择适当的干细胞机制和使用干细胞再生组织/器官时，疾病的原因是一个至关重要的考虑因素。当这些细胞用于临床实践时，必须进行许多检查以确定参与治疗的主要机制，并且干细胞治疗机制和疾病机制的融合有望增加通过干细胞应用开发治疗的机会。

从1971年到2021年，发表了40,183篇关于干细胞疗法的研究论文。所有这些研究都是围绕着细胞治疗功效的“干细胞治疗”目标进行的。随着过去几年干细胞基础研究的飞速发展，“翻译研究”这一相对较新的研究领域最近得到了长足的发展，利用基础研究成果开发新的治疗方法。尽管每年都会发表许多关于干细胞疗法的文章，而且数量每年都在增加，但临床试验研究的数量并没有迅速增加。

此外，在这些研究中，只有一小部分能够获得监管部门的全面批准，作为治疗方法进行验证。尽管造成这种差异的一个原因是由于在进行临床试验研究之前需要进行各种先决条件的临床前研究，但主要原因是由于指导方针的明确定义阻止了许多临床前研究转化为临床试验。

如果研究人员对使用干细胞进行再生医学的想法激发了他们在研究中的应用，则必须首先对其进行评估。在评估步骤中，重要的是选择目标疾病并确保了解引起疾病的机制。疾病相关机制是指引起特定疾病的细胞和分子过程，而干细胞的疗法被认为是一种治疗方法，旨在补偿由此类机制引起的破坏，以最终解决恢复有缺陷的组织。多种机制导致疾病；然而，干细胞具有巨大的分化、自我更新、血管生成、抗炎、抗凋亡和免疫调节潜力，以及它们诱导生长因子分泌和细胞信号传导的能力，可以影响这些机制。

受试者评估后，应进行临床前研究以确定该想法是否具有治疗该疾病的潜力，并应在目标疾病的动物模型中评估最终产品的安全性。临床前研究由体外和体内研究组成。基于各种假设对生物分子和细胞进行体外实验，在体外评估期间，在这种受控环境中测定了一种新的治疗方法。相比之下，在体内研究中，由于不可能控制所有生物实体，新产品可能会受到各种因素的影响，从而呈现出不同的效果。

临床前研究的一般目的是提供支持临床研究进行的科学证据，决定推进临床研究需要以下条件：（i）可行性和基本原理的确立（例如，验证， (ii) 建立药理有效能力（例如，安全的初始剂量验证），(iii) 优化给药途径和用法（例如，安全的给药方法，重复给药和间隔验证）。

原则上，任何关于干细胞治疗的想法都应在考虑进行临床试验之前通过综合研究（即体外和体内）进行评估，并且这些研究的结果应得到主管部门的证明。在体外研究中很容易通过使用基因突变、药物测试和药物来创建操纵性生物环境，并且通过活细胞应用操纵变量很容易观察到变化。然而，考虑到许多相关变量，例如通过循环血液和器官相互作用的分子转运，很难说这样的研究是否可以完全模拟体内环境。在应用于患者之前，在体外实验之后进行体内实验以克服这些弱点。

此外，体内研究需要根据实验动物伦理来维护伦理责任和义务。换句话说，必须避免不必要和不道德的实验。综上所述，我们可以看到，在临床前研究中，无论是体外还是体内的方法，都应该基于各种想法理念在临床试验申请之前进行。

在不同的体外和体内研究中必须考虑几个因素，包括细胞类型测定、细胞剂量规格、给药途径以及安全性和效率。

随着通过应用干细胞疗法对再生治疗的期望提高，各种类型和干细胞来源的应用数量增加，并且干细胞疗法从自体到同种异体再到iPSCs多样化。这些干细胞治疗的风险可能会有所不同，具体取决于细胞制造过程以及其他因素以及临床经验，因此必须在相同的基础上评估所有类型的干细胞治疗。因此，为了确定干细胞在各种疾病中的最大治疗效果，应确定每种干细胞的优缺点。这将使我们能够通过将适当的干细胞应用于适当的疾病来构建针对疾病的干细胞。下面，我们简要讨论各种干细胞的特性。

间充质干细胞是分化成间充质系统的谱系定型细胞，主要是脂肪细胞、软骨细胞和骨细胞。众所周知，在适当的体外培养条件下，MSCs可以分化为干细胞、神经细胞、胶质瘤细胞和骨骼肌细胞。间充质干细胞主要来源于骨髓和脂肪组织。目前，MSCs也从许多其他组织中分离出来，如视网膜、肝脏、胃粘膜、肌腱、软骨、胎盘、脐带血和血液 。间充质干细胞的最大特点是其免疫抑制功能，通过免疫抑制细胞因子分泌和抑制程序性细胞死亡信号传导来阻止活化T细胞的增殖。由于这一作用，它们已成为免疫相关炎症和疾病的潜在治疗方法。

间充质干细胞根据其起源器官具有多种特征。

BM-MSCs是从骨髓中分离出来的，可用于自体和同种异体的环境中，并且可以执行基质功能。然而，从骨髓中分离细胞的过程不仅伴随着疼痛和感染的风险，而且收集效率低于其他MSC来源。此外，与其他来源的MSC相比，这些细胞的倍增时间 (DT) 更长（大约60小时）。

与BM-MSCs相比，AD-MSCs不仅易于收集，而且收获效率提高 100到500倍，并且DT更短（约20小时）。然而，这些是脂肪来源的干细胞，具有很强的脂肪分化特征，因此可以被认为是BM-MSCs的有效替代品，但在适当的培养和身体环境方面必须考虑它们的性质。此外，有人担心这些因素可能会影响治疗效果，因为与 BM-MSCs相比，分泌的细胞因子数量显著降低。

从脐带提取的MSCs (UC-MSCs) 已成为人们关注的焦点，以弥补这些问题：与其他干细胞相比，UC-MSCs不仅具有易于收集的优势，而且还避免了伦理或供体年龄问题。与BM-MSCs和AD-MSCs相比，它们具有优越的增殖和分化能力，其DT已报道为24h。UC-MSCs目前是一个值得关注的问题，因为虽然它们很容易冷冻保存很长时间（例如，在脐带血库中），但由于暴露于低温环境，细胞存活率和提取成功率并不高低温储存期间的保护器。此外，由于这些细胞与其他器官分离，因此它们的自我更新能力有限，并且在长期培养中它们的衰老速度比其他干细胞快。

HSCs可以分化成来自骨髓和胸腺中存在的所有造血系统的细胞，即骨髓细胞和淋巴细胞。可以从成人骨髓、胎盘和脐带血中获得高水平的HSC。它们会引起免疫问题，例如移植排斥。然而，迄今为止，它们已被证明是治疗各种疾病的有效方法，包括白血病、恶性淋巴瘤和再生性贫血，以及先天性代谢、先天性免疫缺陷、无反应性自身免疫性疾病和实体癌。此外，HSC是美国食品和药物管理局 (FDA) 批准用于干细胞治疗的唯一干细胞类型。

胚胎干细胞已经建立了可以通过体外培养维持的细胞系。它们是多能细胞，几乎可以分化成体内存在的任何类型的细胞，并且可以通过向培养基中添加外部因素或通过基因改造进行体外分化。然而，当移植到可接受的宿主中时，它们可能会形成畸胎瘤，这些畸胎瘤由源自内胚层、中胚层和外胚层的各种形式的细胞组成。

iPSC是人工制造的干细胞。这些细胞是通过重编程成体细胞（如成纤维细胞）制成的。它们具有ESC的许多特征，包括自我更新、多能分化和畸形物种的表现。不幸的是，这些细胞几乎没有关于细胞特异性调控途径、基因表达和表观遗传调控变化的科学证据。这些特征构成组织嵌合或细胞功能障碍的风险。

综上所述，虽然FDA批准的干细胞类型是来自健康供体的HSC，但已经提出了各种问题，包括缺乏供体和免疫排斥。因此，我们需要了解干细胞的特性，以便对它们进行相应的处理，克服它们的缺点，同时最大限度地发挥它们的优势。由于来自不同来源的干细胞具有不同的特性、能力、潜力和效率，因此选择适合目标的干细胞来源可以有效地确保治疗效率。

用于治疗的干细胞或干细胞衍生产品的有效给药范围（即剂量）应通过体内和体外研究确定。必须确定安全有效的处理能力，并且在可能的情况下，还必须确定最低有效处理能力。

只考虑干细胞的有效性，高细胞剂量会产生更好的效果吗？

我们在下面回答这个问题。已显示增加剂量的CD34+细胞（每只小鼠 0.5×105个）具有积极作用，可在早期刺激多系造血并增加移植后阶段的重建程度。

此外，与较低的细胞剂量相比，改善的T细胞重建与较高的干细胞细胞剂量相关。然而，一些与急性髓细胞性白血病（AML）相关的研究报道，高剂量的HSC与功能恢复和血液学和免疫学快速恢复相关，但这些结果并非无条件的。在本研究中，较高剂量的HSC（≥7×106/kg）比低剂量的HSC（<1×106/kg）导致更差的结果和更高的复发率。

结果表明，使用的细胞总数不同，但与细胞数量越多治疗效果越高的假设不一致。因此在进行临床试验之前可能需要进行充分而详细的早期研究。

干细胞已根据其类型和特征在各种疾病条件下进行了广泛研究。此时，不应忽视给药途径以支持移植的干细胞数量。一些报告表明，相对于移植细胞的数量，植入能力通常具有较低的到达靶器官的速率，并且没有暂时较长的持续时间。

干细胞给药的方法可大致分为局部和全身传播。局部传播涉及通过各种操作和直接器官内注射的特定注射，例如腹膜内 (IP)、肌肉内和心内注射。全身性传播使用血管途径，例如静脉内 (IV) 和动脉内 (IA) 方法。根据文献中的出版物，IV是最常用的方法，其次是脾内和IP。

在肝脏疾病模型中，IV不仅适用于靶向肝脏，而且比其他给药途径显示出更好的肝脏再生效果。心内注射在心脏病中表现出更好的细胞保留，而皮内注射在皮肤病中表现出更好的治疗。因此，我们可以确定，在这些不同疾病的背景下，给药途径应根据靶器官而有所不同。

在将治疗应用于人类（即患者）之前，临床前研究必须包括检查治疗效果是积极的还是消极的，如果有任何负面影响，研究人员必须检查每一步的安全可能性。由于对使用基于干细胞的产品进行治疗的担忧，决定临床前研究是否足以转化为临床试验提出了几个必须由主管当局评估的问题。临床试验申请应提交给食品和药物管理局 (FDA)、欧洲药品管理局 (EMA) 或其他组织，基于国家。

FDA负责认证美国干细胞产品的临床试验研究。如果将一种新药介绍给未经FDA批准的临床研究人员，则可能需要提交研究性新药 (IND) 申请。IND申请包括来自动物药理学和毒理学研究、临床方案和研究人员信息的数据。缺乏临床前支持（例如，体外和体内研究）可能导致所需的修改或不批准。如果FDA宣布一项IND需要修改（意味着该申请旨在获得批准但尚未获得批准），则临床前研究的结果被认为不足以或不足以转化为临床试验研究，以便进一步研究必须完成，之后应提交修改后的IND。

FDA已在联邦法规 (CFR) 中发布了提交IND的指南。这些法规在 21CFR第210、211部分（现行良好生产规范 (cGMP)）、21CFR 第312部分（研究性新药申请）、21CFR610（通用生物制品标准）和21CFR1271（人体细胞、组织，以及基于细胞和组织的产品）。这些指南的发布是为了开发具有最高安全标准和潜在有效转化为临床试验研究的干细胞产品。

EMA是欧盟 (EU) 的一个机构，负责评估任何研究性医疗产品 (IMP)，以确保最终产品对公众安全有效。当计划在欧洲引入一种新药进行临床试验时，可能需要向EMA提交IMP的临床试验申请。IMP的临床试验申请包括化学、药理学和生物学临床前数据的总结（例如，来自体内和体外研究）。EMA提出了不同的法规来支持开发安全高效的公共产品，包括法规 (EC) No. 1394/2007、指令 2004/23/EC、指令2006/17/EC、指令2006/86/EC , 指令 2001/83/EC、指令2001/20/EC和指令2003/94/EC。

几乎所有已批准用于人体测试的临床试验研究都已在线注册（https://www.clinicaltrials.gov/2021年12月12日访问）。我们在该网站上的搜索显示，截至2021年12月，使用“干细胞”注册的介入研究记录超过6500条。记录的临床试验可以从不同方面进行分析。

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招募状态：这些研究的招募状态表明，这些研究中有18%正在进行中（招募），42%已完成（图1）。

图1：使用干细胞的临床试验状况

疾病类型：基于干细胞的疗法是不同临床试验研究中治疗各种疾病的新方法。血液和淋巴疾病是受益于这种新方法的最常见疾病（图 2）。血液和淋巴疾病是指与血液和淋巴缺乏或异常有关的任何类型的疾病，如贫血、血液蛋白紊乱、骨髓疾病、白血病、血友病、地中海贫血、血栓形成倾向、淋巴疾病、淋巴增生性疾病、胸腺瘤等。此外，还进行了各种使用干细胞治疗免疫系统疾病的临床试验研究；肿瘤、心脏和血液疾病；以及神经系统疾病、糖尿病、卒中、帕金森和脊柱损伤等疾病（图2）。

然而，这并不意味着所有这些研究都有很好的结果，也不意味着所有这些研究都引入了新的治疗方法；其中一些临床试验研究只是为了提高治疗效率，比较不同类型的治疗方法，或分析干细胞进入体内后的各种参数。

图2：在使用干细胞的临床试验中考虑的疾病

自体与同种异体：用于临床试验研究的基于干细胞的产品可分为两类：自体和同种异体干细胞。在自体干细胞治疗中，干细胞是从患者自己的身体中收集的。培养扩增的自体干细胞是移植前扩增的自体干细胞，可分为修饰和未修饰的扩增自体干细胞两类。如果自体干细胞在采集后立即移植到供体，这是一种非扩增的自体干细胞治疗。这些细胞的使用通常对获得临床试验授权的限制较少。同种异体干细胞的分类与自体干细胞的分类相似，只是同种异体干细胞是从健康供体处收集的。使用这些细胞需要更多的先决条件测试，以检查捐赠者的健康状况。同种异体干细胞在临床试验研究中的使用量超过自体干细胞（46.34%vs44.51%），如图所示图3.

图3：在使用干细胞的临床试验中应用干细胞类型。

阶段：临床试验研究分不同阶段进行。在每个阶段，研究目的、参与者人数和随访时间都可能不同。除非已完成阶段的结果已由主管当局审查，否则不应开始新阶段的临床试验，以证明已完成阶段的结果对开始新阶段的授权有效临床试验阶段。为此，在临床试验研究的每个阶段结束时，主管部门都会评估新药是否安全、有效、有效地治疗目标疾病。图4）。

图4：使用干细胞的临床试验中的临床阶段状态

早期阶段I：强调药物对人体的影响以及药物在体内的加工方式。

进行临床试验的第一阶段是为了确保新疗法是安全的，并确定新药如何在人类身上发挥作用。FDA估计大约70%的研究通过了这一阶段。

在第二阶段，确定准确的剂量并收集有关效率和可能的副作用的初始数据。FDA估计大约33%的研究进入下一阶段。

第三阶段评估产品的安全性和有效性。这一阶段的结果将提交给 FDA/EMA以获得新产品的批准，从而允许生产和销售该药物。FDA估计有25%–30%的药物在此阶段通过。

第四阶段在新产品获批后进行，用于确定新产品的公共安全性。

参与者数量和持续时间：新的干细胞产品在成功完成临床试验阶段后有资格上市。由于新产品已在志愿者身上使用，并且该药物的效果/副作用也已在不同阶段进行了很长时间的跟踪，因此现在可以决定是否将其引入市场供公众使用。每个研究和每个阶段的参与者人数和长期随访的持续时间都不同（图5和图6）。

图5：使用干细胞进行临床试验的登记

图6：使用干细胞进行的每项临床试验研究的持续时间

参与者年龄：大约有190,000人使用已注册的干细胞参与了所有已完成的临床试验研究。每项临床研究均在不同年龄组进行，根据药物类型、疾病类型和申办者决定，不同研究之间的差异，如图7。

图7：使用干细胞参与临床试验的患者年龄

临床试验研究数量：临床试验研究数量从2000年到2014年逐渐增加，2014年以后虽然有波动但没有明显变化（图8）。2014年这一增长的原因尚不清楚，但可能与EMA在2014-2015年推出的第一个含有干细胞的先进药物治疗产品 (Holoclar) 有关。

各个国家临床试验注册数量：据经济网站报道，细胞治疗市场近年来增长显著，未来几年有望进一步增长；因此，许多国家都开始了这方面的研究。我们来自clinicaltrial.gov 的数据显示，美国使用干细胞进行的临床试验最多（图9）。政府机构、行业、个人、大学和私人组织都对基于干细胞的治疗进行了投资。

近年来，以干细胞为基础的公司数量迅速增加，对提交的临床试验研究的简要概述表明，这些研究主要旨在引入用于临床应用的治疗产品。因此，我们可以期待将基于干细胞的产品引入市场。

图9：按参与国注册和完成的干细胞临床试验研究情况：( A ) 注册干细胞临床试验参与国前10名；( B ) 使用干细胞完成注册临床试验的前10个国家。

如上所述，从实验室到临床服务的转化研究有许多层必须经过，每个层都有自己的要求和衡量标准。因此，将基于干细胞的新产品推向市场的唯一途径是主管当局确保该发现对其预期的人类用途安全有效，并且该产品已成功通过所有临床试验阶段。

近年来，再生医学已成为各种疾病的有希望的治疗选择。由于其治疗潜力，包括抑制炎症或细胞凋亡、细胞募集、刺激血管生成和分化，干细胞可被视为再生医学的良好候选者。在过去的50年中，超过40,000篇研究论文专注于基于干细胞的疗法。

在这项回顾性研究中，我们概述了干细胞疗法从科学理念到临床应用的转化。由于干细胞具有巨大的治疗潜力，导致疾病的多种机制可以被逆转。然而，包括体外和体内实验在内的临床前研究对于评估基于干细胞的治疗的潜力是必要的。

通过临床前研究，为后续的临床研究提供科学证据和最佳治疗方案是可能的。在开始基于临床前数据的临床试验之前，申请必须得到相关监管机构的批准，例如FDA、EMA或其他组织。如果申请是使用以前从未测试过的新药（包括干细胞），则需要提交IND以获得FDA批准。大约50%的使用干细胞的临床试验需要2到5年才能完成。为了尽量减少可能的副作用，每一种新的干细胞产品都应在成功完成I-IV期临床试验后才能获准进入临床市场。

值得注意的是，近年来，旨在引入临床应用的干细胞公司数量迅速增加。所以，在不久的将来，有可能在临床市场上找到干细胞的产品。

再生医学市场正在发展，由于临床前研究的令人鼓舞的发现和可预测的经济效益，专注于细胞产品开发的公司之间的竞争已经加剧。因此，政府机构、行业、个人、大学和私人组织近年来对再生医学市场的发展投入了大量资金，让我们对干细胞疗法的未来充满希望。

参考资料：Mousaei Ghasroldasht M, Seok J, Park HS, Liakath Ali FB, Al-Hendy A. Stem Cell Therapy: From Idea to Clinical Practice. Int J Mol Sci. 2022 Mar 5;23(5):2850. doi: 10.3390/ijms23052850. PMID: 35269990; PMCID: PMC8911494.