从药学视角探讨间充质干细胞产品研发的策略与进展

李晓静，王 丽，赵春华，柳仁民，马胜军，李光耀，任少达*

(聊城大学 1. 药学院； 2. 医学院，山东 聊城 252000； 3.北京协和医学院 基础学院， 北京 100005；4.聊城市人民医院 干细胞临床研究实验室， 山东 聊城 252000)

干细胞治疗是指利用具有特定功能的干细胞进行修复或再生达到治疗疾病的目的，是继化学药物、蛋白药物等分子治疗药物之后发展起来的新型细胞治疗手段之一[1]。随着干细胞基础研究和临床转化工作的日趋深入，发现干细胞治疗产品对自身免疫性疾病、炎性疾病、退行性疾病等多种重大难治性疾病疗效明显，将对人类医药发展产生划时代影响[2]。目前，欧美及亚洲多个国家都对干细胞的临床应用极大关注并积极出台扶持政策。目前，欧美及亚洲多个国家都对干细胞的临床应用极大关注并积极出台扶持政策，全球干细胞市场将继续保持高速发展，未来几年中国也会占据更多的市场份额。

然而，现有的干细胞产品在研究和开发过程中还存在一些问题，如治疗疗效有待提高、作用机制不够明确、质量标准不够完善、治疗剂量和疗程等不明确、不良反应原因不清楚等[3]。将干细胞产品按照“药物”管理， 可为干细胞产品从研究开发到临床应用提供重要保障， 是今后的发展方向。将传统药学学科，如药物化学、药理学、药剂学、药物分析学、 药代动力学等思路和经验应用到干细胞产品的研究、开发、生产和管理中，可能有助于解决这些制约干细胞药物发展的关键问题。本文以目前基础研究、临床应用最为广泛的间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)为例，从不同药学学科角度进行探讨分析，以期对MSCs的药品研发、生产提供新的视角。

1 干细胞产品概述

MSCs具有自我增殖、多向分化、低免疫原性及免疫调节能力[1]。MSCs分泌多种抑炎因子，对T、B、DC和NK等多种免疫细胞具有免疫调节作用，且不受主要组织相容性抗原(major histacompatibility complex,,MHC)限制[4]。MSCs还分泌多种营养细胞因子，可促进自体细胞增殖起到组织修复作用[5]。与传统药物相比，干细胞药品几乎无不良反应或不良反应很小，对传统治疗手段治疗效果不好的或无效的多种疑难病症疗效显著[6]。已有临床试验证实MSCs对心血管疾病、骨科疾病、神经系统疾病、妇产科疾病、呼吸系统疾病、肝病、风湿免疫病和炎性疾病等均有治疗作用。尤其是，科技部证实武汉已完成MSCs治疗新冠肺炎(COVID-19)重症患者200多例，其肺功能和症状改善明显[7]。截至2020年4月，已有855项MSCs临床研究方案在ClinicalTrial网站注册，中国已批准54项MSCs相关的干细胞临床研究项目。目前全球已批准13种MSCs药物，中国已批准5项进入药物临床试验，未来几年全球将有更多干细胞药物被批准上市。干细胞药品是新药研发的新趋势，具有广阔的市场前景。因此，探讨MSCs与各个药学分支学科的关系将有助于干细胞产品的研发。

2 从药学学科角度探讨MSCs产品研发

2.1 MSCs产品与药物化学

药物化学(medicinal chemistry)是在生物学和化学基础上，研究药物结构和活性的一门学科，其中先导化合物的发现和优化是药物化学家的重要研究内容之一。从药物化学的角度看，现有的“通用型”MSCs可视为先导化合物，具有多种药理活性，在多种疾病中具有积极的治疗效果，那么针对不同疾病的发病机制，在“通用型”MSCs的基础上进行修饰和优化，获得功能增强的“专用型”MSCs来治疗特定疾病，就类似于药物化学家对于先导化合物的优化过程。

MSCs发挥治疗作用并不是简单的细胞替代作用，而是通过分泌细胞因子改善微环境进而抑制炎性反应、调节免疫功能或刺激自体干细胞增殖等最终实现治疗作用[8-9]。因此,优化MSCs的主要途径就是通过预处理MSCs来调节其分泌的细胞因子从而增加免疫调节能力。目前MSCs预处理主要有3种策略：1)用基因编辑的手段升高或降低某一个或多个细胞因子的表达[10]；2)利用MSCs免疫调节的可塑性，通过不同微环境预处理得到不同细胞因子分泌谱的MSCs[11]；3)通过基因编辑的手段敲除人蛋白细胞抗原(human leukocyte antigen,HLA)分子表达来进一步降低MSCs的免疫原性，延长体内存活时间，但是安全性还有待进一步研究确认[12]。借鉴药物化学的思维利用生物学的各种手段对MSCs进行修饰改造，获得针对特定疾病的“专用型”MSCs，可能是干细胞产品的未来发展方向，可显著推动干细胞药物产业的发展。

2.2 MSCs产品与药剂学

药剂学(pharmaceutics)是研究药物制剂的基本理论、处方设计、制备工艺、合理应用的综合性学科。对药物来说，选择合适的辅料和剂型非常重要。从药剂学的角度看，通用型或专用型MSCs即为“原料药”，重悬用的液体或黏附的载体就是“辅料”。目前MSCs产品常见的辅料有0.9%氯化钠溶液、富含血小板血浆、新型生物医学水凝胶等。0.9%氯化钠溶液是最常用的一种辅料，安全性虽高，但其仅能提供合适的渗透压，所以未必是最合适的辅料。富含血小板血浆包含多种细胞因子，已有研究证实与MSCs联合应用在多种疾病中可提高治疗效果[13]。但是，富含血小板血浆成分、机制不明确，且来源受限，故其产业化应用也受到一定限制。新型生物医学水凝胶是一种新型生物材料，其可负载特定的细胞因子，与MSCs联合应用起固定作用提高其治疗效果，是目前研究的另一个热点[14]。干细胞辅料从功能上可分为3类：1)含有特定细胞因子的辅料，可促进MSCs在体内增殖、抗凋亡，延长在体内存活时间；2)含有协同治疗作用的辅料，通过联合应用提高治疗效果；3)可提高体外保存时间和活性的辅料。目前干细胞辅料研究刚刚起步，开发成分明确、具有的特定功能的MSCs液体辅料是未来干细胞药剂学研究的一个重要方向，对提高临床应用效果具有重要意义。

2.3 MSCs产品与药物分析

药物分析(pharmaceutical analysis)是利用分析测试手段，发展药物分析方法，研究药物质量规律，对药物进行全面检验与控制的科学。MSCs产品是一种全新的细胞药物，质量分析评价需要引入先进的分析测试手段。干细胞药物是一种活细胞，检验方法不仅要注意检测灵敏度，还要注意时效性。比如无菌检测，与常规细菌培养方法相比，若采用高通量测序可以大大提高检测的灵敏度，缩短检测时间。再比如免疫调节能力，传统方法主要通过混合细胞培养方法进行检测，但该结果容易受免疫细胞应答能力的影响，可以尝试采用基于细胞的检测(cell based assay,CBA)法检测主要细胞因子分泌量或高通量测序检测关键基因表达水平来取代。

人用药品注册技术国际协调会(International Conference on Harmonization of Technical Requirements for Registration of Pharmaceuticals for Human Use，ICH)指导原则中的《生物技术药品的非临床安全性评价指南》(S6)中要求：“从药品的开发阶段，就需要进行详细的鉴定工作并制定全面恰当的质量标准”。建立科学完善的MSCs产品质量标准，是MSCs产品研究开发中的重要内容，可以充分借鉴药物分析学科中关于药品质量分析和控制的思路。目前MSCs质量标准包括生物学安全性、微生物学安全性、基本细胞生物学属性及生物学有效性“四大类”质量属性，检测项目主要包括形态学、细胞株鉴别、细胞表面标志、无菌检测、病毒检测、免疫学反应、成脂成骨成软骨分化能力、细胞活性及周期检测等。根据药物“安全、有效、质量可控”的质量要求，还应该适当增加影响MSCs治疗有效性的细胞因子和转录因子的活性检测，及时将国内外最新的研究共识纳入到MSCs的质量标准体系中。

2.4 MSCs产品与药代动力学

药代动力学(pharmacokinetics)主要研究人体对药物处置的动态变化，包括药物在体内的吸收、分布、代谢及排泄的过程。虽然目前有些干细胞药物已经进入临床试验阶段，但是干细胞药物的分布、代谢等系统性研究尚处于起步阶段。已有研究证实人体静脉注射MSCs，主要在肺内积累，在肝、肾、脾和其他受损器官也有分布，这种现象主要与血液循环和MSCs归巢特性有关[15]。静脉注射后进入体内的MSCs存活时间在1 d左右，通常在48 h内被免疫系统代谢清除，清除时间长短与机体免疫系统和MSCs的HLA表达水平相关。MSCs体内分布和代谢研究可采用细胞体外标记后再移植入体内的方法，目前主要的标记方法有荧光素酶、近外红染料、荧光蛋白和磁性离子等，相应地检测方法有生物发光成像、磁共振成像、单光子发射CT(computer tomography)扫描等，可以动态观察干细胞在体内的分布情况[16-19]。

药代动力学数据是决定药物服用剂量、用药时间、分析产生毒副作用原因的主要依据。与常规药物类似，MSCs产品需要制定合适的给药剂量与时间。目前多数研究采用简单的递增方法，探究疗效与剂量、时间之间的关系，如果能够通过药代动力学研究清楚MSCs在体内具体分布、存活时间和命运归宿，在此基础上再确定最佳使用剂量和时间可能就更加合理[20]。干细胞药物的体内药学特征与传统药物存在很大差别。MSCs的体内动力学受细胞来源、致病模型、细胞培养方式、治疗方式、机体衰老程度、细胞衰老程度等影响[21]。深入研究干细胞药代动力学，有助于预测在体内的分布、代谢规律，提高干细胞产品的临床疗效，降低毒副作用。

3 问题与展望

近年来，化学药物、传统外科等医疗手段已越来越受到慢性病、人口老化及肿瘤高发的挑战，以干细胞治疗等为代表的治疗新技术快速发展，已成为当今生物医药领域研发的热点。中国干细胞基础与临床转化研究处于国际先进水平，多个MSCs产品已经在临床上显示了较好的疗效，采用“药物”模式管理MSCs产品已成为国内外的共识。

MSCs的“药物”之路才刚刚开始，借鉴传统药物的研发思路将大有裨益。运用药物化学的思维，优化现有的通用型MSCs，研究针对特异性疾病的专用型MSCs，有助于解决其作用机制不明、选择性不强的问题；运用药剂学的思维，开发新型的MSCs辅料，有助于增强MSCs的功能和疗效；运用药物分析的思维，引入最新的分析测试方法，制定全面的MSCs质量标准，有助于MSCs的质量管理和控制；运用药代动力学的思维，探索新的技术手段，研究干细胞产品在体内分布、代谢规律，建立体内动态分布和疗效之间的关系，将有助于解决干细胞产品临床应用的用药问题。

干细胞药物是一个复杂的整体，单纯的一门药学学科无法解决所有问题，需要多个学科的共同努力。通过药学专家的加入，融合新药研发的思路与方法，将干细胞新药研发引入标准跑道，已经成为行业未来的发展趋势。随着干细胞、药学、临床医学、生物材料等多个领域专业人士的加入，通过多方努力，相信会有越来越多的干细胞药品被规范研发、批准上市，最终惠及广大病患。