江湖論劍：如何看待影響間充質幹細胞療效的幾大因素

文章來源於：生物谷，版權歸原作者所有

間充質幹細胞(MSC)是臨床應用的明星之一，已經有很多很多報道間充質幹細胞嘗試治療多種疾病。這裡說的能「治療」多種疾病，但不代表MSC就是這些疾病的最佳或唯一選擇，也不代表MSC能治好這些疾病，只能說有研究者嘗試過MSC治療這些疾病。有些確實就沒有效果，有些效果還挺不錯。如果沒效，那就探討是否屬於適應症，MSC並非包治百病;如果有效，那就探討如何優化，做到最佳。

影響MSC的療效，有很多因素，本文主要幾個關鍵影響因素;其他影響因素還包括疾病類型、疾病進程、實施醫生的醫療技術、醫院整體實力水平等等。

MSC相關的關鍵影響因素：細胞質量、注射途經、最佳劑量、治療時機。大概這四個因素，目前還沒定論，屬於東海先生個人觀點!但隨著研究的發展，卻是越來越明朗。

1 細胞質量

不同廠家生產出來的同一種藥物，質量之間存在一些差異，尤其是進口葯和國產葯相比較，我相信大家都沒什麼意見。同樣的情況也存在不同的幹細胞公司。

先來大概定義一下 「細胞質量」 指的是什麼?

我認為細胞質量指單位細胞或單個細胞所對應的生物學效力;效力越高，細胞質量越好。那麼，什麼是生物學效力(Biological Efficacy，也可以縮寫為bio-efficacy)?

先來理解什麼是效力，英文單詞是efficacy，不是effectiveness，effectiveness是指效果。

效力包括強度(strength)和效果(effectiveness)兩個因素，即相同強度(一般指濃度)下所取得的效果。因此，我們談效力的時候，一定是要明確到做具體的事情。效力這個概念廣泛用於生物界，包括殺蟲劑、藥物。這個概念也引用到幹細胞領域。比如《幹細胞製劑質量控制及臨床前研究指導原則(試行)》就提到生物學效力試驗用於判斷幹細胞製劑與治療相關的生物學有效性。

因此，討論MSC的細胞質量或生物學效力，就離不開具體的適應症。我們應該在一個適應症範圍內談論這個效力如何如何。比如，MSC同時具有免疫抑制和促進血管再生的功能，分別治療兩大類不同的疾病，那麼相對應的就有兩個生物學效力指標。

但是，現在的MSC基礎和臨床研究尚未進入這個細分的領域，這裡就籠統的談一談細胞質量和哪些因素相關。

有一些參數可以反映間充質幹細胞的質量，比如細胞活率、供體特性、克隆形成能力、細胞大小、免疫抑制能力和細胞因子分泌量。這裡簡要介紹細胞活率和供體特性。

1、細胞活率(cell viability)

這個好理解。就是MSC進入人體之前，MSC針劑里還有多少MSC是活的?在文獻中明確提及MSC的細胞活率的情況不多見。不同的臨床研究所用的細胞活率有所不同，細胞活率有>80%，有>85%，有88.2± 6.1%，有90%-97%，有>92%，有>95%，還有存在>70%的情況。不少國外的文章提到的細胞活率低於90%，所以別慣性思維地認為國外的幹細胞質量就是好。

活率90%以上的細胞製劑和活率只有70%的細胞製劑，相同的疾病情況下，治療效果難免會有較大的差異。畢竟，MSC需要活著，而且還要扛過肺部的清除，才能很好地發揮治療作用。

所以，細胞活率真的很重要!

2、供體特性

供體特性包括 「供體年齡」和「供體的身體狀況」。

(1)供體年齡

供體年齡是一個很重要因素，因為來自年輕供體的MSCs似乎具有更大的活力、增殖潛力和抗氧化能力，而年齡較大的成年來源的MSC具有較低的增殖能力。從年齡上來講，臍帶、臍帶血和胎盤應該最具優勢，乳牙牙髓次之，而骨髓和脂肪就相對年齡大點了。我個人非常不建議45歲以上的人群作為MSC的供體去抽骨髓和吸脂肪來獲取MSC。

年齡越大，在骨髓中的幹細胞就越少：剛出生時，骨髓1萬個單個核細胞中就有1個是MSC;30歲時，MSC的數量減少到骨髓25萬個單個核細胞中才有1個MSC;到80歲時，MSC的數量就更少了，骨髓200萬個單個核細胞才有1個MSC。

性別可能對MSC的某些功能有影響。比如有研究顯示女性來源的MSC表達更高水平的IFN-γR1和IL-6β，從而具有更強的免疫抑制能力。

那麼，不同來源之間的MSC有什麼功能特性上的差異?

不同組織來源的MSC具有某些差異性，主要體現在MSC的增殖速度、分泌的細胞因子譜和免疫調節能力。

(2)供體的身體狀況

有不少研究證明疾病也會影響自體間充質幹細胞的功能，尤其是一些自身免疫性疾病患者，其自身骨髓的MSC出現功能異常，包括增殖速度減慢、克隆形成能力降低、免疫抑制能力下降、分泌生長因子的數量減少等等病理變化，使得患者自身骨髓MSC不適合用於自己疾病的治療。

理論上，有可能存在某種先天性基因變異，導致MSC的功能出現缺陷，那麼患者出生時的臍帶、臍血和胎盤來源的MSC也不適合自體治療。但是，目前還沒見到這樣的文章報道，只是理論上存在這種可能性。

是不是所有的患者骨髓MSC都有病變?估計也不是，可能疾病早期，患者骨髓MSC的功能並未受到損傷。

先有疾病，後導致骨髓的MSC出現功能缺陷?還是先出現MSC的功能缺陷，後導致疾病的發生?這是一個很有意思的課題，有待科學家們的努力。

2 注射途徑

臨床應用的報道很多很多，本文著重討論臨床研究的人體數據，略帶動物研究的數據。

在本公眾號的前期文章《江湖論劍：間充質幹細胞輸入身體後去哪兒了?》(點擊文題進入閱讀)已經詳細地論述了動物實驗和臨床研究中間充質幹細胞經不同的注射途經進入體內的分布動力學內容，並根據大量的體內分布數據，提出非著名的比喻性質的論斷：米飯能填飽肚子，但是一粒米飯能填飽肚子嗎?

期待幹細胞臨床研究工作者，認真思考這個非著名的論斷，好好設計間充質幹細胞的臨床研究方案。

MSC在人體內分布的研究數據極少，估計是考慮到標記物的安全性問題。

1、靜脈注射(全身性輸入)

靜脈注射是最常用和最簡單的途徑，並且允許輸入大量的MSC。

靜脈注射最大的弊端就是肺部能清除超過60%的MSC，造成趨化到損傷部位發揮治療作用的MSC數量減少。這是為何?肺血管系統的特性，允許直徑小於5μm的微粒或細胞完全通過，而阻擋大部分直徑超過20μm的微粒或細胞。人臍帶來源的MSC細胞直徑大部分集中在14-20μm的範圍(見下圖)。

人臍血來源的MSC比人骨髓MSC容易通過肺臟，而且年齡越大的供體，其骨髓MSC越容易在小鼠肺部滯留;在肺部滯留的MSC細胞數量，與MSC細胞表面表達的整合素α4和α6密切相關，表達量越高，越不容易在小鼠肺部滯留。但是，如果MSC聯合整合素抗體給患者使用，那麼需要評估整合素抗體靜脈注射所帶來的風險。

在兩項小型人體臨床研究中，使用銦標記的MSC外周靜脈輸入患者體內，儘管早期在肺部發現了大部分信號，但48小時後大部分信號轉移到脾臟和肝臟。MSC靜脈輸入體內10天後，至少尚有約50%的MSC存留在體內發揮作用，而肺部只有不到5%的滯留量(見下圖)。

因此，我們不能單獨依靠動物研究，需要結合臨床研究來優化MSC的最佳治療方案。

有意思的是，給大鼠靜脈注射MSC後，96小時後給與檢測，低氧環境增加MSC在肺部的滯留，而減少MSC在肝臟、脾臟和腎臟的數量(見下圖)。

以此看來，患者使用MSC時，最好是提高肺部的血氧分壓，至少是正常氧氣含量的環境里。

2、局部介入注射

局部介入注射，包括聯合生物材料的應用(例如用於矯形障礙的骨支架)、用於神經系統疾病的脊髓鞘內注射、用於呼吸系統疾病的氣管內注射，都有利於MSC避開肺部的清除。

(1)脊髓鞘內注射

MSC應用的另一個常見輸入途經是脊髓鞘內注射。

MSC的脊髓鞘內注射常見於治療神經病變類疾病，包括中風、腦癱、自閉症等，並且此技術亦可以應用於大多數兒童(包括早產兒)。

據報道，臍帶來源的MSC鞘內注射到8對伴有腦癱的雙胞胎患兒，所有患者間隔3-5天接受4次鞘內注射，每次(1.0-1.5)×10*7個MSC，經治療6個月後運動功能明顯改善。另一臨床研究顯示異體MSC進行靜脈和/或鞘內注射，可以提高腦癱患兒的肌張力、力量、語言、記憶、認知能力等。

全身麻醉下鞘內注射MSC時，會出現與輸注相關的不良反應，發燒和嘔吐最常見，甚至出現比較嚴重的癲癇發作;但所有癥狀在72小時內自發消退，在6個月的隨訪期內沒有出現進一步的併發症。有推測發燒和嘔吐可能與全身麻醉有關。

(2)腦實質內微注射

在MSC治療腦癱的臨床研究中，研究者評價了鞘內注射聯合腦實質微注射MSC治療腦癱的可行性和有效性。在這個臨床研究中，自體骨髓MSC在體外培養至4-5代，每次注射使用2X107的MSC劑量;所有患者均接受鞘內MSC，但年齡較大或頭顱較大的患者(5歲或頭圍50 cm或更大)，先接受2次鞘內注射，再進行立體定向手術接受了腦實質內MSC微注射治療;所有患者的總運動功能評分均有不同程度的提高，但腦實質內微注射並未帶來額外的益處。研究者只是觀察到短暫的低溫和傷口疼痛，但沒有更嚴重的不良事件。

骨髓MSC在大腦缺血區域周邊局部注射治療中風(發病超過6個月)的臨床研究，共18名患者，所有患者不開展康復治療，經過1年的觀察和評價(ESS、NIHSS、mRS和F-M總評分和運動功能評分)，各種評分得到改善;但是，所有的患者都出現了不同程度的由於局部注射導致的副作用(經分析和MSC無關)，包括頭疼、噁心嘔吐、抑鬱、肌張力增高、疲勞、血糖升高、C反應蛋白升高。

所以，謹慎考慮腦局部微注射MSC這種治療方式!

(3)氣管內注射

早產兒常伴隨著支氣管肺發育不良(BPD)的風險。一個小規模的臨床實驗驗證MSC干預早產兒BPD的可行性。這9名平均妊娠25.3周的早產兒的平均體重為793克;前3名BPD患兒的MSC劑量為1X10*7/kg，後6名BPD患兒的MSC劑量為2X10*7/kg;治療7天後，支氣管分泌液中的炎症因子濃度明顯下降，呼吸嚴重程度評分(Respiratory Severity Score)改善明顯。

發生BPD風險的嬰兒通常需要在出生時或出生後不久進行氣管插管以進行機械通氣和表面活性劑替代治療，為MSC治療提供了簡便的輸入途徑。然而，目前的臨床實踐是在嬰兒的醫院療程(通常是幾天)中比在歷史上(數周至數月)更早地移除氣管導管。在這種情況下，MSC的靜脈注射可能是氣管內輸入的可接受的替代方案，因為即使靜脈輸入MSC，MSC也可能被「捕獲」在肺血管系統中。

(4)結合生物支架

幹細胞結合生物支架治療難治性疾病，尤其是神經損傷性疾病，是一個新的治療手段。

有報道使用自體骨髓MSC聯合脫礦骨基質支架，3個月後能實現約50%的骨缺損填充，不適合普遍臨床應用。另外，也有研究顯示在沒有骨支架的情況下實現了79.1%的填充，但使用的MSC在體外經過成骨誘導的培養處理，表明細胞比其支持結構更重要。使用供體骨作為生長刺激因素可能有助於MSC用於顱骨重建。

南京鼓樓醫院開展臨床研究，MSC結合膠原支架進行子宮內移植，治療子宮腔黏連，30個月後，26名患者中的10名成功受孕，8名孕婦順利產下寶寶，1名孕婦懷孕3個月，1名孕婦出現自然流產。

MSC結合生物支架，是一個很好的應用方向，有待更好的研究進展!

3 最佳劑量

MSC的最佳劑量取決於不同的疾病和嚴重程度以及輸入途徑。

在MSC的臨床研究和應用中，細胞劑量可能屬於最無厘頭的和最體現不出科學性的一個環節了，即使有一些臨床研究涉及劑量爬坡實驗，但也不是基於動物實驗的基礎。

由於MSC和傳統藥物的特性差異巨大，具體表現至少有2點。在MSC進入體內後，不符合傳統藥物典型的分布和代謝模型;傳統藥物屬於被動分布，而MSC具有主動趨化到損傷部位的功能，MSC在健康機體和疾病機體的體內分布也不一樣。傳統藥物的動物實驗需要多次給葯維持穩定的血葯濃度，而MSC的動物實驗常常是單次注射，以至於MSC的臨床研究也常常採取1次注射的方案。實際上，MSC的單次注射並不能取得良好的穩定的長期的治療效果，即使短期內有明顯改善。

對於某種疾病，在臨床前的研究中，動物實驗並沒有充分證明MSC起效的最低劑量和最大飽和劑量，而且不同實驗室的細胞劑量存在差異。不同實驗室的培養系統、MSC的來源屬性等因素，常常導致MSC的質量存在差異，直接影響了MSC的動物實驗和臨床研究的結果(見下圖)。因此，MSC的臨床前研究的數據並不能很好地指導臨床研究的方案確定。

在目前的臨床研究中，MSC的使用劑量範圍非常大，每名患者使用的MSC細胞數從四千多個MSC到上億個MSC不等。

局部介入的治療方式，最低的劑量出現在MSC治療股骨頭壞死的臨床案例中，韓國和法國各一項臨床研究用量為4500多個MSC。介入治療最高的劑量出現在中國的一項臨床研究，為MSC治療糖尿病肢體大皰病，細胞用量為8.6億;第二高劑量為2億個MSC心肌注射。局部注射的MSC用量超過1億的臨床研究還有：1.2億MSC治療克隆氏病腸瘺、1億MSC關節腔注射治療膝骨關節炎的、1億MSC治療缺血性心肌病。

靜脈輸入的細胞劑量相對比較穩定，常常採用每公斤體重數百萬級的MSC，即(1-10)x10*6/kg。靜脈輸入最高的劑量為與造血幹細胞造血幹細胞共移植的10x10*6/kg，按照60公斤的體重，那也是需要6億個MSC了;還有治療GVHD的8x10*6/kg。靜脈輸入最低的劑量出現在MSC和造血幹細胞共移植的臨床實驗中，為0.3x10*5/kg。

2009年Prochymal(骨髓MSC)治療難治性GVHD的3期臨床試驗的失敗，是MSC臨床應用的一個災難性事件，幾乎否定了MSC的臨床療效。Prochymal來源於健康人的骨髓，而MSC本身具有很強的免疫抑制能力，然而，為何Prochymal卻在3期臨床試驗中因療效不能明顯優於對照組?

當時Prochymal的適應症為激素抵抗性難治性GVHD，本身這個適應症就是非常棘手，如果Prochymal不優化治療方案，尤其是劑量方面突破常規思維，那麼失敗在所難免。

後來提高MSC細胞劑量到5x10*6/kg和8x10*6/kg，治療激素抵抗性難治性GVHD的效果優於2009年之前的療效，使得英國和歐盟的治療指南推薦MSC作為治療2-4級急性GVHD的三線治療藥物。但是Prochymal依然未得到美國FDA的認可。有意思的是，2016年有一篇Meta分析的文章提出 「劑量」這個因素並未影響MSC治療急性GvHD患者的生存率。

雖然有專家認為5x10*6/kg和8x10*6/kg為高劑量，但是目前尚未對何種劑量定義為「高劑量」進行討論和證明。如果把MSC看作為「藥品」，那麼肯定存在一個範圍，在這個範圍內，劑量越高效果越好;然後達到一個飽和劑量後，繼續提高細胞劑量，並不能帶來更多的療效，反而可能帶來一些不良反應。

文獻分析標準：臨床研究文章來源於pubmed和clinicaltrials;只分析臨床研究中是用「間充質幹細胞(MSC)」的文章，不採用骨髓或臍帶「單個核細胞(MNC)」的文章。

4 治療的時機

MSC輸入的時間也很重要：MSC應該是預防還是治療?

疑難重症的治療中，MSC被寄予厚望;但這些疑難重症的疾病模型難於模擬臨床實際情況。動物實驗中，經常是剛剛注射完誘導疾病建立模型的藥物後，就立即給與MSC治療。比如MSC治療急性肝衰竭的豬實驗，在注射誘導疾病的藥物2小時內給與MSC經肝門靜脈介入治療，效果非常顯著;還有小鼠實驗，用四氯化碳誘導急性肝衰竭，24小時內即刻給與MSC脾內注射治療。

在臨床研究中，也存在疾病尚未出現時給與MSC治療的情況。MSC和造血幹細胞共移植最為常見，MSC能減少造血幹細胞移植後出現排異反應(GVHD)和增加造血幹細胞移植的存活率，非常適合異體造血幹細胞移植(骨髓移植)中配型達不到6個位點配對的情況。這時候，MSC起到輔助治療的角色，為造血幹細胞移植治療保駕護航。

MSC促進糖尿病足的癒合，而且潰瘍面的癒合並不伴隨著疤痕組織的增生，這提示MSC能抑制疤痕組織增生，不僅適用於皮膚創傷的治療(包括整形外科)，還適用於開創性手術預防術後疤痕增生，比如最常見的腹腔術後腸粘連。需要注意的是，MSC的應用時機，因為MSC並不能消除疤痕組織，只是預防疤痕組織的出現。

細胞類藥物和傳統化學藥物非常不同的一點，那就是細胞是活的，而化學藥物是死的。MSC作為活的細胞，進入到機體，必定會與機體內的微環境相互作用。

簡而述之，那就是在病理狀態下，缺血缺氧微環境有利於MSC分泌更多的生長因子，而且炎症因子(TNF-α和IL-1β)能促進MSC分泌細胞因子(IL-1A、RANTES、G-CSF)，但是總體來講，炎症環境對MSC的影響是弊大於利。因為炎症因子同樣能導致MSC死亡，炎症環境還能提高MSC的HLA-DR(MHC II類抗原)抗原的表達，增強了MSC的免疫原性，被免疫細胞所識別，加速了MSC的清除。

國內的一項MSC治療肝衰竭的臨床研究中發現，肝衰竭體內過激炎症反應的環境抑制了MSC的活性，限制其治療肝衰竭的療效;相反，較低的體內炎症環境有益於MSC定植、存活和肝細胞再生。國內的另一項MSC治療類風濕性關節炎的臨床研究，研究者先給患者注射劑鹿瓜多肽、丹參酮Ⅱa前期干預治療7天，再給與MSC治療;和單獨的MSC治療組相比，鹿瓜多肽和丹參酮Ⅱa前期干預後再聯合MSC治療，具有更顯著的治療效果，包括降低炎性細胞因子、調節免疫、改善微循環和病損組織的修復[4]。

又比如，國外的多中心臨床研究，在用骨髓MSC治療類固醇無效的兒童GvHD的臨床試驗中，在疾病病程早期(開始類固醇治療後5-12天)使用MSC治療比較晚期治療(開始類固醇治療後13-85天)的療效更好(完全有效率78%對52%)。

MSC也被應用於腎臟器官移植的臨床研究中，發現在移植前給與MSC輸入治療，有利於減少器官移植後出現的排異反應，促進器官移植的成活率和恢復器官的功能。當然，在肝臟移植後出現免疫排異反應，MSC也是可以發揮免疫抑制作用。

這些臨床研究的結果給我們一個很明顯的提示，那就是MSC的治療時機非常重要，甚至會影響到治療效果，雖然研究治療時機對療效影響的臨床研究極少。

隨著疾病從發病到急性發展到慢性階段，臨床過程中可能存在一個時間窗，適合MSC發揮最佳的治療功能。

更重要的是，不應該期待MSC單獨治療就能發揮良好的治療效果，疑難重症都需要綜合治療。那麼，MSC是主力發揮治療作用還是輔助治療?這很可能取決於具體的疾病。比如造血幹細胞治療血液腫瘤，造血幹細胞是主角，MSC是輔助治療;器官移植，MSC也是輔助治療。免疫排異反應(包括GVHD和器官移植的排異反應)的治療中，MSC就是主角，發揮主力治療作用。

5小結

MSC具有多重功能，比如有免疫抑制功能、促進機體組織器官的修復功能、促進血管新生/再生、支持造血幹細胞的增殖和分化等，因而MSC的臨床適應症比較廣。

甚至有大鼠實驗發現MSC能增強機體抵抗細菌的感染和促進細菌的清除。一項MSC治療難治性艾滋病的臨床研究顯示MSC能增強抗HIV病毒藥的效果。因此，MSC治療難治性細菌和病毒感染方面，也是一個有意思的研究領域。

MSC還能給我們帶來什麼樣的驚喜?

因此，MSC治療的核心問題不是「MSCs治療有效嗎?」而是：「我們如何優化MSC療法的療效，同時避免不良反應?

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