張珂凡    綜述   曲秀霞    范國平    審校

214122無錫，江南大學(xué)無錫醫(yī)學(xué)院（張珂凡、曲秀霞）；90095美國洛杉磯，加州大學(xué)戴維格芬醫(yī)學(xué)院人類遺傳學(xué)系（范國平）

通信作者：范國平，Email: gfan@mednet.ucla.edu

DOI：10.3760/cma.j.issn.2095-0160.2018.11.011

【摘要】  眼是人類的重要器官，而視網(wǎng)膜退行性疾病可致盲，給患者帶來極大的痛苦。在目前的條件下，細(xì)胞移植是治療退行性眼病的重要方法之一。由于成體干細(xì)胞數(shù)量稀少，因此激活內(nèi)源性成體干細(xì)胞來治療退行性眼病還很困難，利用多能干細(xì)胞，包括胚胎干細(xì)胞（ESCs）以及誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSCs）分化得到的光感受器細(xì)胞和視網(wǎng)膜色素上皮（RPE）細(xì)胞便成為有效的移植細(xì)胞來源。本文介紹視網(wǎng)膜退行性疾病中危害較大的視網(wǎng)膜色素變性（RP）和年齡相關(guān)性視網(wǎng)膜黃斑變性（AMD）的病理過程以及干細(xì)胞移植治療退行性眼病的發(fā)展現(xiàn)狀，對退行性眼病中2種不同的易損細(xì)胞，即RPE細(xì)胞和光感受器細(xì)胞干細(xì)胞療法研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對干細(xì)胞移植治療退行性眼病現(xiàn)階段存在的問題和未來的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】年齡相關(guān)性黃斑變性；視網(wǎng)膜色素變性；誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞；視網(wǎng)膜色素上皮；光感受器；細(xì)胞移植治療

視網(wǎng)膜退行性疾病主要包括視網(wǎng)膜色素變性（retinitis pigmentosa，RP）、黃斑變性以及遺傳性Leber病等，這些疾病存在著不同的癥狀以及相關(guān)致病基因或易感基因（表1）。盡管這些疾病的病因和病理進(jìn)程各不相同，但都存在視網(wǎng)膜細(xì)胞數(shù)量的進(jìn)行性減少，主要包括視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞（retinal pigment epithelium，RPE）和光感受器細(xì)胞的不可逆損失，并最終導(dǎo)致視覺功能喪失。RP為遺傳性疾病，目前已發(fā)現(xiàn)200多個與RP相關(guān)的基因突變位點^[1]。黃斑變性是由基因改變和環(huán)境因素共同引起，根據(jù)患病年齡分為少年黃斑變性和年齡相關(guān)性黃斑變性（age related-macular degeneration，AMD)^[2]。臨床上RP和AMD較為普遍，其中RP的發(fā)病率高達(dá)1/3 000；而AMD在大于60歲的人群中的發(fā)病率超過1/10^[3-4]。目前，臨床上用來治療視網(wǎng)膜退行性疾病的藥物和方法非常有限，多數(shù)為抗炎治療及神經(jīng)細(xì)胞營養(yǎng)保護(hù)性藥物用以延緩病程，或者抑制血管生長類藥物以治療濕性AMD等。但是藥物治療無法恢復(fù)已經(jīng)受損的視神經(jīng)細(xì)胞和功能RPE細(xì)胞，而利用細(xì)胞移植手段則可以有針對性地將有特定功能的細(xì)胞移植并整合到視網(wǎng)膜中以恢復(fù)其受損功能，應(yīng)用前景更為廣泛。因此本文著重介紹了RP以及AMD的病理過程以及細(xì)胞移植治療現(xiàn)狀。

1.1 RP的病理過程以及影響因子

綜合征性RP伴隨其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病或者發(fā)育異常出現(xiàn)，而非綜合征性RP則是單獨出現(xiàn)^[5]。RP早期會出現(xiàn)夜視能力下降以及中周部視野的缺失，負(fù)責(zé)感受弱光的視桿細(xì)胞的死亡，是非綜合征性RP產(chǎn)生的第一步。RP患者外周視野和視力會迅速下降，雙眼視力同時受損，最終會影響到中央視野、視敏度和彩色視覺。

遺傳性的RP包括常染色體顯性遺傳、常染色體隱性遺傳和X染色體連鎖遺傳等，目前已知許多基因的突變會導(dǎo)致RP。自從1989年首例視紫紅質(zhì)（rhodopsin，RHO）基因突變被首次發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)確定了超過100個RHO基因突變位點。這些位點的突變占所有RP類型的15%，而占常染色體顯性遺傳RP的25%^[6-7]。PRPF3、PRPF8、PRPF31和PAP1 4個pre-mRNA剪接相關(guān)因子的突變也會導(dǎo)致常染色體顯性遺傳RP。這些因子的表達(dá)十分廣泛，但是僅在視網(wǎng)膜中導(dǎo)致疾病，可能是因為視網(wǎng)膜的光感受器細(xì)胞需要更多的蛋白質(zhì)代謝參與^[8]。目前已知至少45個基因與常染色體隱性遺傳RP相關(guān)^[6]，例如USH2A基因突變被發(fā)現(xiàn)會導(dǎo)致10%~15%伴隨遺傳性耳聾－色素性視網(wǎng)膜炎綜合征（Usher Syndrome）^[9-10]。目前發(fā)現(xiàn)X染色體連鎖遺傳RP與RPGR和RP2等6個基因相關(guān)^[11-12]。

1.2 AMD的病理過程以及影響因子

AMD從病理上分為干性AMD和濕性AMD。干性AMD是由脈絡(luò)膜和RPE萎縮、脈絡(luò)膜增厚和黃斑萎縮引起的；濕性AMD是Bruch膜受損，脈絡(luò)膜的毛細(xì)血管在Bruch處形成新生血管，引起視網(wǎng)膜下黃斑區(qū)反復(fù)滲液和出血并形成瘢痕，繼而造成中心視覺喪失。正常RPE會在光感受器細(xì)胞和脈絡(luò)膜之間形成緊密連接的單層細(xì)胞片層^[13]，而光感受器細(xì)胞會不斷老化并產(chǎn)生廢棄物堆積在黃斑形成脈絡(luò)膜玻璃膜疣，并引發(fā)慢性炎癥^[14]。玻璃膜疣能夠進(jìn)一步破壞RPE，致使光感受器細(xì)胞因得不到及時維護(hù)而受損，最終形成AMD（圖1）。

圖1  正常和退化的RPE細(xì)胞示意圖  A：正常RPE細(xì)胞整齊地排列于視神經(jīng)節(jié)和Bruch膜之間  B：退化的RPE細(xì)胞之間緊密連接缺失，視神經(jīng)節(jié)退化并伴有玻璃膜疣的產(chǎn)生    RPE：視網(wǎng)膜色素上皮

年齡是AMD的危險因子之一，老齡化會通過表觀遺傳學(xué)修飾，如DNA的甲基化以及組蛋白乙酰化等促進(jìn)基因的沉默，通常在大于60歲的人群中會出現(xiàn)細(xì)胞功能損傷并有致病風(fēng)險^[15]。線粒體是氧自由基反應(yīng)的重要場所，線粒體基因的多態(tài)性，例如MT-ND2的多態(tài)性，與濕性AMD有關(guān)^[16]。VEGF與濕性AMD中的血管生成有關(guān)，因此其抑制劑被臨床用于治療濕性AMD^[17-18]。此外，受損的免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)尤其是補體系統(tǒng)可能對AMD的病程有影響^[19]。一些補體的過度激活，會導(dǎo)致慢性炎癥的發(fā)生^[20]。由于免疫反應(yīng)是導(dǎo)致AMD的重要因素，因此許多參與免疫反應(yīng)的基因突變都是該疾病的重要風(fēng)險因子，例如抑制炎癥反應(yīng)的補體因子H （complement factor H, CFH）的Tyr402His突變會導(dǎo)致AMD的產(chǎn)生^[21]。目前已有一些與補體有關(guān)的治療AMD的藥物正在研究中，但是還沒有被批準(zhǔn)用于臨床^[22]。

近些年，隨著干細(xì)胞技術(shù)的快速發(fā)展和細(xì)胞工程在臨床上的應(yīng)用，細(xì)胞治療已經(jīng)逐漸成為一項應(yīng)用前景廣、治療特異性好且安全、高效的、新的治療手段。眼科疾病的細(xì)胞治療由于存在所需細(xì)胞數(shù)量較低、移植技術(shù)成熟、存在免疫隔離等諸多優(yōu)勢，臨床前及臨床研究的開展更加充分。目前有望用于治療退行性眼病的干細(xì)胞有多種類型^[23]，例如間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）、視網(wǎng)膜前體細(xì)胞（retinal progenitor cells，RPCs）、神經(jīng)前體細(xì)胞（neural progenitor cells，NPCs）、嗅鞘細(xì)胞（olfactory ensheathing cells，OECs）、胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells, ESCs）以及誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）等^[24-28]。MSCs有多種來源，包括骨髓來源、脂肪組織來源以及胎盤和臍帶血來源，具有自我更新的能力并可以分化成為多種細(xì)胞類型，但缺點是MSCs來源的光感受器細(xì)胞存活率和遷移效率都很低。RPCs來源于胎兒或新生兒視網(wǎng)膜，在移植過程中可以遷移進(jìn)入視網(wǎng)膜中，發(fā)育為多種細(xì)胞類型的視網(wǎng)膜細(xì)胞并具有一定功能，但是存在細(xì)胞來源的局限，且具有潛在免疫排斥反應(yīng)^[29]。NPCs來源于新生皮層，將其移植到光感受器細(xì)胞損傷的大鼠模型中能夠長期維持視覺功能^[30]，并且也已開展了臨床試驗。OECs是一類可以持續(xù)生長的膠質(zhì)細(xì)胞，移植后可以清除堆積在視網(wǎng)膜下腔中的碎片，為細(xì)胞生長提供營養(yǎng)因子并降低Müller細(xì)胞的損傷反應(yīng)^[31]，但是移植細(xì)胞較難獲得且難以直接應(yīng)用。ESCs是來源于囊胚的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的具有多分化潛能的細(xì)胞，可以在分化為RPE以及光感受器細(xì)胞后用于移植^[32]；iPSCs是由體外終末分化的體細(xì)胞重編程而來的，具有與ESC類似的分化潛能，將RP患者來源的iPSCs分化為視網(wǎng)膜前體細(xì)胞后移植可以得到具有功能的RPE和光感受器細(xì)胞^[33-34]。美國FDA已批準(zhǔn)多種細(xì)胞類型用于臨床治療退行性眼病的I/II期臨床試驗（表2）^[23]。

視網(wǎng)膜退行性疾病最終受累的細(xì)胞是RPE和光感受器細(xì)胞。目前，RPE已經(jīng)批準(zhǔn)用于臨床治療研究，大量獲得可供移植的RPE和光感受器細(xì)胞不僅對于視覺改善有極大的作用，而且可以降低未分化的干/祖細(xì)胞的致瘤風(fēng)險。通過ESCs以及iPSCs體外定向誘導(dǎo)分化可以獲得大量可供移植的細(xì)胞來源，因此下文將著重介紹RPE和光感受器細(xì)胞的臨床治療研究現(xiàn)狀。

2.1針對退行性眼病中RPE細(xì)胞的干細(xì)胞療法及其研究現(xiàn)狀

由于RPE有保護(hù)和支持光感受器細(xì)胞的作用，并且在退行性眼病中較早受累，因此RPE移植是目前治療退行性眼病的重要臨床方案之一，人ESCs以及iPSCs來源的RPE細(xì)胞移植治療都已開展了臨床試驗^[27-28]。細(xì)胞移植的方法主要有2種：一種是注射懸浮的細(xì)胞；另一種是移植帶膜或不帶膜支撐的RPE單層細(xì)胞。實驗研究表明，在免疫缺陷小鼠中進(jìn)行RPE細(xì)胞長期移植不會產(chǎn)生腫瘤^[28]。在免疫缺陷的大鼠視網(wǎng)膜下腔移植的人ESCs來源RPE單層細(xì)胞存活時間超過12個月且無腫瘤形成^[35]。首例ESCs來源的細(xì)胞治療在人體的臨床療效試驗中，也沒有發(fā)現(xiàn)腫瘤的跡象^[36]；對18例接受細(xì)胞治療患者的跟蹤研究也未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的安全問題^[28,37]。同樣，iPSCs來源的RPE細(xì)胞層的移植也未發(fā)現(xiàn)腫瘤形成免疫排斥^[27]。此外，Choudhary等^[38]開發(fā)的基于CD59的流式分選方案能有效凈化干細(xì)胞來源的RPE并去除殘余干細(xì)胞，進(jìn)一步增加了細(xì)胞替代療法的安全性。美國FDA已經(jīng)批準(zhǔn)ESCs分化得到的RPE治療黃斑變性的臨床試驗^[23,36]。在此研究的基礎(chǔ)上，韓國也開展了ESCs分化得到的RPE治療AMD的臨床試驗^[39]。

在細(xì)胞替代療法中，安全、高效的細(xì)胞來源異常重要。McGill等^[40]報道了將異種級人胚胎干細(xì)胞（OpRegen）衍生的RPE移植到RCS大鼠視網(wǎng)膜下。OpRegen RPE細(xì)胞不僅能存活和改善視覺功能，還能長期保護(hù)視錐和視桿細(xì)胞。此外，患者自身來源的iPS細(xì)胞分化后移植可以降低免疫排斥和異體細(xì)胞導(dǎo)致的基因多樣性的風(fēng)險，有望用于基因治療。2013年，1例日本女性AMD患者接受了全球首例自體來源的RPE移植^[41]。隨著組織工程技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞和仿Bruch膜的共同移植以及三維的人胚胎干細(xì)胞來源的RPE（3D-RPE）也逐漸進(jìn)入人們的視野，為細(xì)胞療法治療退行性眼病提供了新的治療思路和細(xì)胞來源^[42]。

綜上所述，在針對退行性眼病中RPE細(xì)胞的干細(xì)胞療法的臨床治療中，安全性問題仍是關(guān)注的第一熱點。關(guān)于如何使移植的干細(xì)胞不形成腫瘤和發(fā)生免疫排斥，近年來取得了較大進(jìn)展，細(xì)胞替代療法的安全性日益提高。此外，細(xì)胞來源將成為未來干細(xì)胞療法的關(guān)注焦點，目前人ESCs、iPSCs和自身來源的細(xì)胞都在干細(xì)胞治療中表現(xiàn)出巨大的潛力?？傊?，針對退行性眼病中RPE細(xì)胞的干細(xì)胞療法正在不斷完善，其在臨床上的應(yīng)用也日益廣泛和安全。

2.2針對退行性眼病中光感受器細(xì)胞的干細(xì)胞療法的治療和研究現(xiàn)狀

退行性眼病，如RP和AMD會導(dǎo)致光感受器細(xì)胞損失，繼而造成視力障礙。因此，RPE移植需要在光感受器細(xì)胞受損早期尚能可逆修復(fù)時進(jìn)行，或者移植進(jìn)入的RPE細(xì)胞含有可分化成為光感受器細(xì)胞的前體細(xì)胞時，才能更好地恢復(fù)視覺功能。有研究表明，基于ESCs或iPSCs的細(xì)胞替代療法和CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)可以作為研究和治療RP的新手段^[43-44]。更有團(tuán)隊提出了一種將人骨髓MSCs與人RPCs進(jìn)行聯(lián)合移植治療RP的方案，在RCS大鼠模型中的實驗表明聯(lián)合移植的光感受器細(xì)胞的分化率高于單一移植^[45]。與治療RP的思路相同，基于ESCs或iPSCs的細(xì)胞療法在治療AMD上也具有巨大潛力^[46-47]。在近幾年中，不同團(tuán)隊分別研究了小鼠ESCs來源的可追蹤和可移植的光感受器細(xì)胞的生成和人ESCs來源的視網(wǎng)膜組織在2種視網(wǎng)膜退化的靈長類模型中移植的可行性^[48-49]。又有研究表明，將發(fā)育中的視桿細(xì)胞移植入Crx基因敲除小鼠的退化視網(wǎng)膜中時，其表現(xiàn)出的神經(jīng)活動與原生的光感受器細(xì)胞類似^[50]。因此，體外iPSCs來源的視桿細(xì)胞可以為細(xì)胞替代療法提供一個新的細(xì)胞來源。此外，Barnea-Cramer等^[51]將人iPSCs來源的光感受器細(xì)胞前體移植入視網(wǎng)膜變性晚期的小鼠中，并成功分化為光感受器細(xì)胞且與宿主細(xì)胞的視神經(jīng)相連，通過視覺行為實驗發(fā)現(xiàn)被治療的動物的視覺功能得到了部分恢復(fù)，且功能改善程度與移植細(xì)胞的數(shù)量呈正相關(guān)。由此可見利用ESCs或者iPSCs分化成的光感受器細(xì)胞進(jìn)行移植可以更為直接地達(dá)到恢復(fù)視力的目的。

為了使移植后的干細(xì)胞能有效分化為具有功能的光感受器細(xì)胞，干細(xì)胞的來源十分重要。Kruczek等^[52]發(fā)現(xiàn)小鼠胚胎干細(xì)胞來源的視錐細(xì)胞在終末期視網(wǎng)膜變性小鼠模型中表現(xiàn)出了很好的生產(chǎn)和成熟能力。Royall等^[53]也提出了一種新的培養(yǎng)方案可以將豬虹膜組織中一獨特的神經(jīng)干/祖細(xì)胞分化為神經(jīng)元和視桿樣細(xì)胞。鑒于人類與家豬在進(jìn)化上的相似性，這一方法在人類疾病建模和人眼干細(xì)胞的研究中具有重要價值。研究表明，RPE細(xì)胞是一個能生成新光感受器細(xì)胞的便捷來源^[55-55]。此外，來源于患者自體細(xì)胞的iPSCs在干細(xì)胞治療中也有很大的潛力。Wiley等^[56]在cGMP（current good manufacture practices）條件下發(fā)展出了一種用來源于患者皮膚細(xì)胞的iPSCs制造光感受器細(xì)胞前體的臨床適用性方法，并且沒有發(fā)現(xiàn)異常增生和腫瘤的形成。但是患者來源的iPSCs仍然攜帶有致病基因，因此有團(tuán)隊對此展開研究，發(fā)現(xiàn)可以利用CRISPR/Cas基因編輯技術(shù)來糾正來自患者iPSCs的致病突變^[57]。這極大地提高了來源于患者自體細(xì)胞的干細(xì)胞療法的臨床適用性。

總體來說，退行性眼病中光感受器細(xì)胞的干細(xì)胞療法關(guān)鍵在于在患者體內(nèi)移植干細(xì)胞能成功分化為具有功能的光感受器細(xì)胞。在這一方面，雖然在動物實驗中取得了較多成果，但是在未來仍需要更多的臨床驗證結(jié)果；同時我們?nèi)孕枰綄つ芨行У胤只癁榫哂泄δ艿墓飧惺芷骷?xì)胞的干細(xì)胞來源，并增強其臨床適用性。

眾多動物實驗及部分臨床試驗證明干細(xì)胞移植對退行性眼病治療具有巨大潛力，但由于不同干細(xì)胞本身存在基因組或者表觀遺傳學(xué)改變，例如基因突變、基因拷貝數(shù)改變以及重編程過程中DNA甲基化水平的異常改變等^[58]，均可能導(dǎo)致對干細(xì)胞的分化及分化后細(xì)胞功能和行為產(chǎn)生背景性影響，導(dǎo)致不同細(xì)胞系來源的視網(wǎng)膜細(xì)胞本身就可能存在差異性，因此干細(xì)胞來源的視網(wǎng)膜細(xì)胞移植的遠(yuǎn)期有效性和安全性依然有待進(jìn)一步深入評估^[59]。除了本文提到的干細(xì)胞來源的視網(wǎng)膜細(xì)胞移植，神經(jīng)干細(xì)胞移植、MSCs移植等其他類型的細(xì)胞移植臨床試驗也在開展中，而異體細(xì)胞移植的首要問題，即移植免疫排斥反應(yīng)仍是細(xì)胞治療的巨大挑戰(zhàn)。為了解決上述問題，Nakatsuji等^[60]嘗試建立多能性細(xì)胞庫用以匹配人白細(xì)胞抗原，以此減少免疫反應(yīng)。另外，異體移植帶來的基因組改變?nèi)匀皇且粋€潛在的問題，因為其中的自體細(xì)胞重編程技術(shù)中仍無法精細(xì)控制，需要進(jìn)一步研究。2016年，來自中國中山大學(xué)、四川大學(xué)、廣州市康瑞生物科技有限公司和美國加州大學(xué)圣地亞哥分校、德州大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心、哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種新的再生醫(yī)學(xué)方法，通過改良的白內(nèi)障手術(shù)技術(shù)，在移除先天性白內(nèi)障嬰兒晶狀體的同時，保留并刺激自身晶狀體干細(xì)胞成功再生出功能性的晶狀體。該方法通過激活患者自身的內(nèi)源性干細(xì)胞進(jìn)行組織再生修復(fù)，相較于通過ESCs/iPSCs體外分化出功能細(xì)胞或組織再移植到患者體內(nèi)，再生組織的結(jié)構(gòu)和功能更完善，且有效避免了免疫排斥和體外多重誘導(dǎo)帶來的潛在變異問題^[61]。雖然有局限性，視網(wǎng)膜細(xì)胞的移植治療依然給退行性眼病的治療帶來了希望，并且隨著實驗技術(shù)的不斷優(yōu)化，利用ESCs更高效地分化為各種類型的視網(wǎng)膜功能細(xì)胞也將會為退行性眼病的治療提供更多的細(xì)胞來源。此外，現(xiàn)今發(fā)展的CRISPR技術(shù)可以高效特異地修復(fù)突變基因，對于退行性眼病的個性化治療也將產(chǎn)生十分積極的作用^[62-65]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的技術(shù)可以用于退行性眼病的治療，并且也會更為安全、有效。