糖尿病：包裝問題-如何治療

糖聚合物球體被設計用於包裝工程細胞

當免疫系統沒有阻礙的時候，細胞療法可以治癒Ⅰ型糖尿病。

道格拉斯?梅爾頓（Douglas Melton）給了自己一段簡短的慶祝時間。經過23年的努力，他終於成功地在實驗室里培養出替代性胰島細胞或細胞簇，這正是在Ⅰ型糖尿病中被摧毀的胰腺組織。梅爾頓的兩個孩子就患有這種自身免疫性疾病——Ⅰ型糖尿病。梅爾頓是馬薩諸塞州坎布里奇市哈佛幹細胞研究所主任，他將胚胎幹細胞轉化成了胰島中專有的能感受葡萄糖和分泌胰島素並以此控制血糖的β細胞。

這一研究的影響是巨大的，它可以源源不斷地提供β細胞，對於Ⅰ型糖尿病患者意味著他們將不再需要從已故的供體那裡獲得胰島來移植。由於捐獻器官量的不足，這種方法每年僅可以幫助幾百個病人獲得治療。仍有數以百萬計的Ⅰ糖尿病的成人和兒童患者面臨每天不斷地監控血糖水平並每天給自己注射胰島素的困境。

在實驗團隊的一次聚會上，梅爾頓給團隊成員每人送了一頂印有他簽名的藍色帽子，帽子上顯示了從幹細胞到β細胞的發展進程。梅爾頓因為在實驗室成功培養出數以百萬計的β細胞獲得了2016年小川-山中幹細胞獎。但是現在，梅爾頓又面臨一個新的挑戰：如何保護移植細胞免受機體的自身免疫攻擊。「突然出現了很大的問題，」梅爾頓說，「這還是一個很重要的問題。」

為了預防免疫排斥——因為實驗細胞是從不相關的供體而來，再加上受體胰島直接的自身免疫，患者需要終身服用免疫抑製藥物。但這些藥物有嚴重的副作用，包括增加感染和患癌症的風險。梅爾頓想要避免使用這些藥物，意味著他需要某種設備或材料，可以為實驗室培養的或供體的β細胞植入時免於免疫系統的排異，同時允許營養物質如葡萄糖、胰島素和氧氣在這些細胞里進出自如。

「理想的是能夠建立某種免疫隔離裝置，能使人們利用細胞的益處，而無須抑制他們的免疫系統。」梅爾頓的一個合作者、麻省理工學院生物工程師丹尼爾?安德森(Daniel Anderson)解釋說。

這個問題已經困擾研究者、企業家和大型製藥公司40多年。多虧了新技術從頭開始製造出β細胞，現在能夠開發出一致性高和可靠的細胞來源。這意味著可以有條不紊地開展不同細胞包裝系統的比較研究，明顯優於之前的傳統方法。正如梅爾頓所說，一致性高和穩定可靠的細胞來源有助於細胞保護技術和設備的研究。

一些公司開始行動。位於加利福尼亞州聖地亞哥的再生醫學巨頭Viacyte公司將成千上萬的β細胞裝載到和人的手掌一樣大的大型包裝設備中；處在起步階段的位於馬薩諸塞州坎布里奇的Sigilon公司，將單獨成束的β細胞打包放進比一粒芥菜種還小的殼裡。這兩種策略前景可期。朱莉亞?格林斯坦(Julia Greenstein)說，「我們正處在一個轉折點上，我們已經看到了比以前更多的解決這個問題的方法。」她是紐約一個非營利機構青少年糖尿病研究基金會（JDRF）的研發副總裁。

道格拉斯?梅爾頓(後)，哈佛幹細胞研究所主任，他已經找到了一種好的處理β細胞的方法

隱身模式

多年來，最受歡迎的用於移植β細胞的載體是被稱為海藻酸的海藻萃取液，已在嚙齒動物、狗、猴子，甚至人類試驗的臨床研究測試過。人體試驗表明，該材料是安全的，即使在那些沒有服用免疫抑制劑藥物的人群中。但治療的益處仍然模稜兩可，因為在植入的數周內，海藻酸通常會開始吸引免疫細胞如巨噬細胞和中性粒細胞聚集。這導致了堵塞載體囊的纖維疤痕組織的沉積，抑制了包裝內部的β細胞。

這種類型的免疫反應不同於最初的摧毀了病人β細胞的反應，但是它對這種治療方法的前景也同樣有殺傷力。安德森和他麻省理工學院的同事羅伯特?蘭格（Robert Langer）在尋找可以逃避免疫的海藻酸的衍生物，研究人員在小鼠體內系統地篩選接近800個海藻酸的化學分支。他們發現一個品種——三唑-硫代嗎啉海藻酸二氧化物——似乎完全被免疫系統所忽視。

這種大分子海藻酸的微球體在獼猴體內倖存了6個月。當負載上梅爾頓團隊的β細胞，載體囊可以在Ⅰ型糖尿病老鼠模型體內恢復到特有的血糖水平，並且沒有免疫反應的跡象。「我們第一次證明了這種材料植入人體無纖維變性。」麻省理工學院從事該項生物材料研究的博士後奧米德?韋瑟（Omid Veiseh）說，「之前從沒有發生過這樣的事情。」

韋瑟將於2017年在德克薩斯州休斯敦萊斯大學建立自己的實驗室。但在那之前，他仍在坎布里奇幫助Sigilon公司。這個研究以西班牙語單詞「秘密」命名，Sigilon公司斥資3 750萬美元用於將這些新海藻酸商業化。其中包括兩個潛在治療Ⅰ型糖尿病的方法。一個是微型包裝細胞療法。到2018年，Sigilon公司打算向人們展示，該技術在接受供體胰島的人群中是可行的，並測試包裹在藻酸鹽里的β細胞的生物效果。第二種方法是使用材料覆蓋部分胰腺仿生系統然後再進入人體。2016年9月，美國食品藥品管理局批准了第一個人造胰腺系統，該設備可以在病人血糖高時自動供給胰島素，又能當血糖水平開始下降時自動關閉胰島素輸送，幾乎不需要病人的干預。這個人造胰腺系統是總部設在都柏林的醫療設備公司美敦力開發的MiniMed 670G——該裝置結合了兩種設備：一個監控血糖水平，另一個注入胰島素並且可以自動調控胰島素輸送。

「不管怎樣，」Sigilon總裁兼首席執行官保羅?沃頓（Paul Wotton）說，「Ⅰ型糖尿病患者將受益於這一平台。」

Semma療法

在微型包裝領域，規模很重要。超級海藻酸仍在測試中，麻省理工學院的團隊使用直徑1.5毫米的載體囊，它被證實免疫原性遠低於糖尿病細胞療法領域的研究人員常規使用的0.5毫米的載體囊。但直徑增加3倍意味著每個載體囊增加了近30倍的體積。控制一個人的糖尿病需要大量的含有數億β細胞載體囊，而身體內只有很少的地方可以移植。

載體囊可能不會適用於皮下或其他可收回的位置，為了安全起見，任何植入糖尿病患者的幹細胞來源療法應該完全可收回。佛羅里達州邁阿密大學生物工程師愛麗絲?托梅（Alice Tomei）開發了她所說的「縮微技術」（shrink-wrapping technology），它使用微流體技術將薄的生物相容的塗層披覆細胞簇，產生儘可能最小的載體囊——橫徑只有0.2毫米。她選擇的材料是聚乙二醇，可能比Sigilon公司的超級海藻酸造成更多的免疫反應，但托梅認為她的「縮微技術」可以將細胞包裝得足夠小，更容易植入體內。

托梅使用梅爾頓團隊的β細胞評估她的技術，在馬薩諸塞州坎布里奇合作啟動Semma療法。梅爾頓與生物技術投資者和企業家羅伯特?米爾曼（Robert Millman）在2015年推出Semma（米爾曼妻子起的名字來自Sam和Emma，梅爾頓兩個患糖尿病孩子的名字）。儘管Semma之前已經收購了藥物輸送技術公司Cytosolv，有自己的封裝技術，但也在尋找像托梅這樣的合作夥伴與幹細胞公司一起測試一系列封裝系統。「任何有設備的人，我們都能與他們合作，」Semma首席執行官米爾曼說，因為即使最好的細胞，如果我們沒有正確的設備還是會失敗。」

Semma的另一位合作者是位於以色列羅斯艾因城Beta-O2技術公司，它十多年來一直致力於Ⅰ型糖尿病包裝細胞治療。顧名思義，Beta-O2創新了植入細胞的輸送氧氣方式——一個對於大型包裝設備尤為嚴重的問題，比起載體囊技術來說，血供攜氧問題對於急需能量的β細胞是一個更大的障礙。

公司最初的產品原型是將一個冰球大小的腔室植入皮下，需要每天注射氧氣。Beta-O2公司在德國和瑞典通過載入供體胰島並將這種設備移植在5個病人中來測試它。結果是令人鼓舞的：細胞能健康存活好幾個月。Beta-O2公司正在研究其第二代設備，根據公司首席執行官尤瓦爾?阿佛尼(Yuval Avni)的說法，能夠使得更多的細胞一周只需要注射一次氧氣。但該公司需要一個更可靠的細胞來源，阿佛尼對梅爾頓的細胞寄予厚望。

應用到臨床

梅爾頓最初製造β細胞的方法很煩瑣。需要35天內仔細更換5種不同的培養基，這5種培養基分別混合11種不同的成分，包括糖類和蛋白質。梅爾頓實驗室的前博士後菲利希亞?帕柳卡（Felicia Pagliuca）現在領導著Semma細胞生物學研究和發展，她和她的團隊已經大大簡化了方案。目的是希望儘早進入臨床試驗，他們的一個包裝設備已經開發出來。

這個製造β細胞的計劃是從那些需要胰島素的人中創造誘導多能幹細胞，他們的身體不攻擊自己的細胞。因為這樣就沒有組織不匹配或造成自身免疫反應，所以這些細胞不使用任何免疫抑製藥物或屏障的技術就可以植入到患者體內。

Semma公司致力於三個患者群體:一個叫作消瘦型糖尿病的Ⅱ型糖尿病患者，病人體內的β細胞停止工作了；另一個是因慢性炎症等問題行外科手術切除胰腺病史的；還有一個是胰島素依賴型的囊性纖維化患者。公司希望3到4年內在其中一個群體中測試他們的細胞數量，晚些時候再用包裝設備對Ⅰ型糖尿病人進行試驗。

但這意味著Semma可能與對手ViaCyte進行競爭。早些時候，ViaCyte公司收購了它主要競爭對手之一強生公司的BetaLogics部門，同時也宣布了第一個在Ⅰ型糖尿病患者中使用幹細胞來源的β細胞包裝產品的人類試驗的初步數據。

ViaCyte公司的PEC-EnCap設備是膏藥大小的半透袋，其中包含成千上萬的來自於胚胎幹細胞的胰腺前體細胞。公司使用前體細胞，而不是完全成熟的β細胞，因為這些細胞當包裝還沒有完全整合入血液系統中時更能耐受低氧條件下的植入。過去兩年，ViaCyte公司在大約20名沒有免疫抑制的患者皮下植入該設備。在許多受者中，胰腺前體細胞已成長為生產胰島素的β細胞——儘管這些細胞在幾個月後由於設備外纖維化的免疫反應而凋亡。

「這是一個可行性的證明，這可以實現，但是我們仍然有很多工作要做，」ViaCyte公司的首席執行官保羅?萊科寧（Paul Laikind）說，「現在的目標是推遲細胞灌輸的異物反應時間。」ViaCyte公司希望通過修改包裝設備或其他方面的治療方案，在進入使用完整治療劑量的產品試驗階段之前來實現這個目標。

到那時，或許梅爾頓的β細胞也可以在Ⅰ型糖尿病患者中測試。梅爾頓相信，有了正確的輸送系統，這些細胞可以治癒他孩子的病。「它對我是有意義的，」梅爾頓說，「如果能製造出一個人身體里已經消失的細胞，我們應該能夠找到一個方法把這樣的細胞送回人體。」

馬晉平/編譯 世界科學（World-Science）

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