干细胞打破 “黑暗恐惧”

来源: 中国科学报 / 作者: 2019-09-09
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8 月 29 日,日本大阪大学一个研究小组宣布,他们成功实施了一例手术,把用诱导多能干细胞(iPS 细胞)培养出的角膜片状组织,移植到了一名 40 多岁患有重度 “角膜上皮干细胞衰竭症” 女性的左眼上。该手术属于全球首例。

iPS 细胞是通过对成熟体细胞 “重新编程” 培育出的干细胞,拥有与胚胎干细胞相似的分化潜力,能够分化成多种组织和器官。但与胚胎干细胞相比,iPS 细胞的获得方法相对简单,并且避开了一些伦理问题,因此有巨大的医疗价值。

目前,除了日本,包括中国在内的全球各国科学家,都在致力于利用干细胞科技治疗眼疾的研究应用,这也为患者复明带来希望。

从细胞层面治疗眼疾成为趋势

作为暴露在最外面的 “镜头”,角膜是极其容易遭到损害的。角膜疾病是我国主要致盲眼病之一,也是眼球摘除的第一致病因素。数据显示,仅在我国,就有 200 多万的眼角膜盲症患者。

角膜是非角质化的多层透明无血管组织,由上皮细胞层、前弹力层、基质层、后弹力层和内皮细胞层组成。实际上,角膜之所以维持透明,它表面的上皮细胞功不可没。角膜上皮细胞不断生长、不断更新,而维持这种更新的源泉就是角膜上皮干细胞。角膜上皮干细胞还能够在角膜受损时修复它,起到稳固角膜表面结构的作用。

角膜移植是治疗相关疾病最有效的方法,也是世界上最常见的移植类型,但由于角膜的捐献数量有限,全世界都面临着角膜短缺的问题。从细胞层面进行移植治疗,就成为了科学家们研究的方向。

日本大阪大学研究小组通过加入促进细胞黏结的蛋白质 “laminin 511” 对 iPS 细胞进行培育。约一个月后,细胞变成含有眼部主要细胞的四层同心圆状组织,直径为 2~3 毫米。该组织的最里层聚集了神经元细胞,第 2 层有可发育形成视网膜的视杯等。第 3 层形成了作为角膜一部分的角膜上皮前驱细胞和结膜细胞。最外层形成了皮肤细胞。晶体在第 2~3 层的交界处。

“iPS 细胞可以诱导成角膜干细胞,然后再利用角膜干细胞去做眼疾相关的治疗工作。” 温州医科大学眼视光学院研究员谷峰在接受《中国科学报》采访时说,“由于角膜的血管特别少,iPS 角膜移植更容易成活。另外,相比于捐献的异体角膜,由自体细胞得到的角膜,移植后的免疫排斥反应也会减轻,甚至完全没有。”

不过,对于严重角膜上皮干细胞缺乏导致的失明,单纯的角膜移植并不可取。厦门大学眼科研究所教授李炜表示,角膜上皮干细胞就像 “种子”,而干细胞所处的微环境就像提供营养的“土壤”。这一类患者若单纯地进行角膜移植,则可能因为缺乏健康的“土壤” 和持续繁衍更新的“种子”,最终发生排斥反应或角膜上皮持续不愈合而导致手术失败。因此,角膜上皮干细胞移植是这一类患者复明的必由之路。

目前,角膜上皮干细胞移植分为自体和异体干细胞移植。李炜团队采用自主研发的新型羊膜载体扩增培养角膜上皮干细胞,长成与正常角膜上皮类似的上皮植片,然后将植片连同羊膜载体一起移植进入患者眼球表面。

“这就同时提供了健康的‘种子’和‘土壤’,若两者成功存活,就可以恢复角膜正常的微环境,保持‘种子’细胞长久的活性,维持角膜上皮的健康状态,也为后续角膜移植提供了良好的基础。” 李炜此前在接受媒体采访时说。

而对于角膜缘干细胞缺乏症患者,南充市中心医院眼科主任医师李战梅表示,利用 iPS 诱导分化为角膜上皮细胞,再进行移植治疗,以规避免疫排斥反应和新生血管生成,这一治疗方案也已经得到认可。目前已有大量研究探索了将 iPS 诱导为角膜上皮细胞的方法及其相关的信号通路和关键信号分子,为重建眼表提供了新的种子细胞,也为临床治疗提供了新的方向。

还需进一步研究探索

在多位专家看来,通过细胞层面治疗眼疾,特别是对于失明、致盲类的眼疾,具有非常好的应用前景。但目前要想大规模应用于临床,仍然有许多前期储备工作要做。

谷峰表示,如何把 iPS 定向诱导成角膜的特定细胞,其诱导效率和程度问题都亟待优化。另外,生物安全性仍然是比较重要的部分,如何避免诱导的细胞产生免疫排斥、如何达到更好的移植效果等,都需要进一步展开研究。

李战梅也表示,诱导获得的角膜上皮样细胞是否具有人体内角膜上皮细胞的生物学功能,其安全性、致瘤性以及移植到体内模型中的存活率、免疫排斥反应、抗血管生成作用等都是进入临床应用前必须考虑和解决的问题。

李战梅还指出,将多能干细胞诱导分化为角膜上皮样细胞,应用于临床上受伤眼表恢复视力是具有前景的。但目前的分化方法得到角膜上皮样细胞,不能达到 100% 阳性率,存在未分化细胞和其他类型的细胞,分化时间较长,限制了角膜上皮样细胞的临床应用。

在李战梅看来,研究者还需要进一步探索更加高效、快速的诱导分化方案和纯化方法,并移植到动物模型进行可行性应用研究,为角膜上皮细胞移植治疗最终进入临床奠定基础。

另外,据了解,体外扩增效率和质量不高也会导致干细胞植片质量差、手术成功率低。李炜团队发现了调控角膜上皮干细胞增殖与分化的新机制,通过加入小分子调节剂提高了角膜上皮体外扩增的效率,同时,对体外扩增的体系进行了全面改进,构建了多种基于羊膜的新载体,使得构建的组织工程角膜上皮具有更好的组织结构和光学性能。

缺乏标准化的构建方法也将导致植片质量参差不齐,无法产业化大量生产。为此,李炜团队自主设计制造了高效的组织工程角膜上皮生物反应器。该培养系统的应用使角膜上皮干细胞培养的操作更加简单、更加标准化,有利于培养结果的质量控制。除此之外,该团队还改进了组织工程角膜上皮移植的手术方式,建立了基于组织工程角膜上皮的眼表面重建治疗体系,进一步提高了治疗效果。

对于此次日本大阪大学实施的 iPS 角膜移植手术,大阪大学教授西田幸二也强调说,今后将按计划观察 1 年时间,慎重调查其安全性和有效性。如果试验获得成功,将在五六年内实现再生角膜的标准规模化生产。

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