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干细胞移植和基因疗法是目前治疗镰状细胞病、β-地中海贫血、免疫缺陷及部分血液恶性肿瘤等血液疾病最有效的治愈性手段。替换或修正造血干细胞可为患者带来长期获益甚至根治疾病的可能。但患者在接受上述治疗前，通常需要接受高强度、存在潜在毒性的化疗或放疗，为新移植的干细胞清除骨髓中的定植空间。
由波士顿儿童医院和丹娜-法伯癌症研究所团队领衔的研究人员开发了一种新策略，用更具靶向性的预处理方案替代传统化疗，提升干细胞移植的安全性。该团队并未使用会造成全身DNA损伤的毒性试剂，而是开发了供体干细胞表位编辑策略，以及仅可识别需要清除的造血干细胞表面标志物的抗体。相关研究成果发表于《自然》（Nature），题为《通过表位编辑实现非遗传毒性移植与体内选择》，研究证实这类抗体能够以更具选择性、更低毒性的方式清除患者骨髓中已有的干细胞。
造血干/祖细胞（hematopoietic stem/progenitor cell, HSPC）移植是多种恶性与非恶性疾病的核心治疗手段，“其利用HSPC独特的再生能力重建造血系统”，作者在文中写道。但他们也指出，移植前遗传毒性预处理的短期与长期不良反应是限制HSPC移植与基因疗法广泛应用的现实障碍。
研究团队提到，尽管单克隆抗体已被提出作为化疗或放疗的替代方案，但这类疗法同样存在疗效与安全性方面的挑战。常规抗体无法区分患者自身的原有干细胞与输入的治疗性干细胞，若抗体在体内持续存在，还可能攻击移植的细胞，阻碍其定植。“这类免疫类制剂由于对移植HSPC的非选择性靶向作用以及较长的半衰期，会引发靶向清除效应，因此存在疗效与安全隐患”，研究人员表示。
丹娜-法伯/波士顿儿童癌症与血液疾病中心的Pietro Genovese博士及其团队通过为治疗性干细胞提供分子层面的保护解决了这一问题。研究人员利用精准基因组编辑工具，对供体干细胞表面的微小识别位点——表位进行改造。这一微小修饰可阻断抗体与治疗性细胞的结合，同时保留蛋白的正常功能。“我们鉴定出了KIT胞外域的氨基酸突变位点，这类突变可破坏两种治疗性单克隆抗体的结合，阻断干细胞因子（stem cell factor, SCF）介导的信号传导，但不影响KIT的表达或功能”，研究人员解释道。
编辑后的干细胞相当于获得了分子伪装，可躲避抗体的识别，而未编辑的细胞仍对抗体敏感。在既往研究中，该团队已利用相同的表位编辑原理，保护健康造血干细胞免受CAR-T细胞或治疗性抗体等癌症免疫疗法的攻击，同时保留这类疗法对白血病细胞的杀伤作用。
本次报道的新方法还包括对造血干细胞进行治疗性编辑，以提升胎儿血红蛋白（fetal hemoglobin, HbF）水平——胎儿血红蛋白是一种具有保护功能的血红蛋白，可代偿镰状细胞病和β-地中海贫血患者体内缺陷的成人血红蛋白功能。“我们的实验显示，原代HSPC中的KIT与BCL11A可实现高效共编辑，使其子代细胞同时具备HbF诱导表达能力与单克隆抗体抗性”，研究人员介绍。研究结果显示，经表位编辑的受保护干细胞可在抗体处理后存活，定植于骨髓，并随时间逐渐富集。该发现不仅提供了为移植细胞清理定植空间的新途径，还可在移植后选择性促进治疗性细胞的增殖。
“通过避免化疗，我们可以将干细胞移植的适用范围拓展至病情较轻的疾病，或是通常身体状况过差、移植风险过高的脆弱患者”，该研究的第一作者、Genovese实验室的讲师Gabriele Casirati医学博士表示，“目前骨髓移植通常仅用于罹患危及生命的疾病的患者，同时还受限于患者对化疗的耐受能力。”
该研究对干细胞与基因疗法的未来发展均具有重要意义。首先，它可为无化疗或少化疗的移植方案提供支撑，降低目前需要承受DNA损伤风险的患者的治疗负担。其次，由于抗体可在移植后持续筛选受保护的细胞，该策略可帮助治疗性干细胞扩增至达到临床获益所需的水平。“综上，我们的研究结果证实表位编辑具备范式革新的潜力，可用于开发下一代造血干/祖细胞移植方案”，研究团队表示。
该研究的广泛意义还超出了遗传性血液疾病的范畴。这些研究共同表明，表位编辑可成为一个灵活的技术平台：一方面可提升干细胞移植与基因疗法的安全性，另一方面可通过保护正常造血功能免受意外损伤，拓展癌症免疫疗法的应用范围。“通过克服单克隆抗体的药代动力学局限，表位编辑可开发出不受靶向移植物清除限制的新型造血重建方案，可采用长期免疫预处理最大化造血微环境清除效率，无需放化疗或单克隆抗体洗脱”，研究人员指出。
“尽管该研究目前仍处于临床前阶段，但它为未来的干细胞治疗指明了方向：患者可接受治愈性干细胞疗法，同时毒性更低、对化疗的依赖更少、精准度更高”，Genovese表示，“通过将靶向生物预处理与分子层面受保护的治疗性干细胞相结合，该策略为开发更安全、可及性更高的多种血液疾病治疗方案提供了新的框架。”
本研究使用的技术由波士顿儿童医院与丹娜-法伯癌症研究所共同所有。研究团队在论文中提到：“我们展望未来，患者在接受挽救生命的干细胞疗法时，无需面临长期造血功能低下、不孕或继发恶性肿瘤的风险，仅需最短时间住院甚至无需住院。”
【专业注释】
1. 表位：抗原中可被抗体或免疫受体识别的特定结构片段
2. BCL11A：调控血红蛋白亚型表达的核心转录因子
3. 造血微环境：骨髓中支持造血干细胞存活的微生态结构