從幹細胞走向細胞外囊泡新藥，亞東紀念醫院張至宏、廖秀蓉與陽明交大黃奇英、李利、張學嘉組成跨域團隊，以AI找出刺激間質幹細胞(MSC)分泌高活性細胞外囊泡(Extracellular Vesicles, EVs)的關鍵胜肽，成功建立高效細胞篩選與品質管理平台，並完成多種動物驗證，目前已獲得CDE輔導，同時布局東南亞、日本、中東及澳洲等國際市場，為退化性關節炎臨床轉譯及商品化跨出重要一步。
撰文/高佳樺(環球生技)
臺灣邁入超高齡社會後，退化性關節炎(Osteoarthritis, OA)不再只是骨科門診常見的疼痛問題，也成為再生醫療能否回應高齡需求的試金石。
針對超高齡社會OA治療的未滿足醫療需求，亞東紀念醫院副院長張至宏與研究員廖秀蓉博士暨助理教授，攜手陽明交通大學藥物科學院院長暨特聘教授黃奇英、陽明交通大學教授暨玉山學者李利、張學嘉共同組成研究團隊，從開發「膝關節脂肪墊幹細胞及其胞外泌體之綜合療法」出發，探索OA的再生醫療轉譯路徑。
在此研究中，亞東與陽明交大團隊共同建立了高效能幹細胞株的篩選平台，並利用AI篩選能夠提升細胞外囊泡(Extracellular Vesicle)分泌效能的胜肽，陸續完成了小鼠、大鼠，以及羊等大動物的實驗數據，為未來進入人體試驗奠定了臨床前研究基礎，同時也獲醫藥品查驗中心(CDE)選為細胞外囊泡領域的指標性輔導案件。
骨科再生醫學權威張至宏
臨床試驗、特管辦法為MSC研究奠基
亞東醫院副院長張至宏，是國內首屈一指的骨科再生醫學醫師科學家，自博士班起即投入膝關節軟骨缺損、退化性關節炎等高盛行率的骨科疾病研究，特別是以膝關節脂肪墊來源間質幹細胞(Infrapatellar Fat Pad-derived Mesenchymal Stem Cell, IPFP-MSC)為基礎的再生醫學療法。
張至宏的臨床研究，早期多從局部軟骨缺損出發，處理年輕族群因運動傷害造成的軟骨修復問題，但隨著人口高齡化，臨床上對OA的需求變得更加迫切。
「相較於單一區域的軟骨缺損，OA牽涉長期發炎、疼痛、功能下降與關節結構改變，部分患者若持續惡化，後續可能需要接受人工關節置換。因此，如何在疾病進展過程中延緩退化、保留活動功能，也成為再生醫療切入OA的重要目標。」張至宏說。
張至宏團隊在臺灣率先完成膝關節脂肪幹細胞的臨床一期試驗，其成果也發表在國際期刊《Cytotherapy》，之後順利取得衛福部《特管辦法》核准，成為國內第一個使用脂肪幹細胞治療退化性關節炎的團隊，目前已累積超過40例治療案例。
張至宏分享，在這些臨床研究和治療經驗中，他觀察到多數患者接受IPFP-MSC治療後，疼痛與功能指數可逐步改善，且部分患者的改善效果可維持1年左右；然而，不同患者的治療反應仍有落差，也有患者關節變形程度雖然不高、細胞治療後疼痛與功能改善卻有限，後續仍接受人工關節置換的情形。
這些差異也讓團隊意識到，像IPFP-MSC這類間質幹細胞(MSC)治療的關鍵可能不只在細胞本身。張至宏指出，MSC進入體內後，其實未必能長期存活，也不一定會直接變成軟骨細胞。
他認為，這些細胞更可能是透過分泌具有抗發炎、調節免疫等功能的生長因子或細胞外囊泡等物質，影響關節內的發炎反應與修復環境。所以團隊轉向思考利用細胞外囊泡來輔助與加強退化性關節炎的治療。期待能延緩病患接受人工關節置換手術的時機，甚至能逆轉退化性關節炎的進程。
陽明交大黃奇英、玉山學者李利、張學嘉制定戰略
定胜肽刺激細胞外囊泡突破法規挑戰
在陽明交大，黃奇英與玉山學者李利、張學嘉，則是長年投入高品質、高效價細胞外囊泡在臨床治療應用的研究拍檔。黃奇英直指，「細胞療法基本上就是細胞加上細胞外囊泡」，細胞只是持續製造細胞外囊泡的來源，而真正具有治療作用的，其實可能是細胞外囊泡本身。
沿著這項思維，研究團隊開始思考是否能直接開發細胞外囊泡產品。然而，目前細胞外囊泡做為治療藥物在法規監管並不明確，目前也未有細胞外囊泡療法獲得衛福部食藥署(TFDA)核准在臺灣啟動臨床試驗，形成臨床開發的一大挑戰。因此，研究團隊將釐清細胞外囊泡如何被定義、製造與強化，列為計畫執行的重要目標。
黃奇英說明，目前細胞外囊泡產品開發大致可分為三類。首先是「天然細胞外囊泡」，其取得門檻較低，也具一定抗發炎效果，但成分複雜，作用機制較難定義，且品質較難管控。
與之相比，「工程化細胞外囊泡」可將特定mRNA/ miRNA分子或調控訊號導入其中，使藥物成分更明確。不過，李利指出，一旦細胞外囊泡被用作遞送工具，產品也會同時牽涉基因療法與細胞衍生產品兩套邏輯，法規單位對製程一致性、安全性與批次穩定性的要求也會提高。
此外，李利也指出，胜肽刺激MSC分泌細胞外囊泡的策略，並不一定適用於所有疾病；但就OA而言，若能透過胜肽誘導MSC釋放帶有多重修復訊號的細胞外囊泡，既可避開直接導入單一基因的部分法規疑慮，也較符合這項計畫後續推進的方向。
黃奇英回想，研究團隊原先設定的方向，是將與軟骨修復相關的SOX9訊號導入細胞外囊泡中。不過隨著計畫推進，團隊逐漸發現，透過特定胜肽刺激MSC，讓細胞自行分泌出帶有修復訊號的細胞外囊泡，可能更符合OA療法的轉譯需求。
團隊觀察到，在經由胜肽刺激後，MSC及其分泌細胞外囊泡中，SOX9、第二型膠原蛋白(Type II Collagen) mRNA訊號，以及部分與OA修復相關的微小RNA(miRNA)表現上升。這也讓原本偏向工程化細胞外囊泡的計畫，逐步轉向介於天然細胞外囊泡與工程化細胞外囊泡之間的中間策略。
廖秀蓉建立細胞QC效能評估平台
AI篩出刺激細胞外囊泡分泌關鍵胜肽
不過，說起此次計畫最大的突破點，張至宏、黃奇英兩位計畫主持人皆歸功於亞東醫院醫學研究部廖秀蓉研究員，成功將MSC轉化為細胞外囊泡工廠，並運用AI篩選出了能夠刺激MSC分泌最佳修復能力細胞外囊泡的胜肽。
廖秀蓉表示，研究團隊在第一年與國內多家投入MSC研發的業者合作，比較了各種部位來源、不同生技公司的細胞株、不同培養方式的MSC，並進一步分析這些細胞分泌出的細胞外囊泡特性，作為判斷細胞修復潛力的重要線索，最終建立了可評估細胞品質與修復潛力的平台。
「這套平台不只是為了挑出單一細胞來源，也希望未來不同公司、不同細胞株，都能用相同邏輯比較，篩選可作為細胞外囊泡來源的高效價幹細胞捐贈者。」廖秀蓉說。
在這套平台基礎上，研究團隊也利用公開資料庫與生物資訊方法，尋找可能刺激軟骨修復路徑的外源性配體與胜肽，並導入AI協助加速候選分子的搜尋，同時建立多種胜肽候選藥平台，繼而在實驗室的細胞實驗與動物試驗中，驗證候選胜肽是否真能刺激MSC、改變細胞外囊泡內容物。
不僅如此，廖秀蓉在研究過程中利用AI找到可刺激GPCR受體的胜肽，且這種胜肽不僅能夠刺激MSC增加SOX9表現，還同時提升了第二型膠原蛋白及多種miRNA，所分泌的細胞外囊泡修復效果比天然細胞外囊泡更好，這才讓研究團隊的產品策略再次調整，由原本的工程化細胞外囊泡，轉向「胜肽刺激MSC，再收集高活性細胞外囊泡」的模式。
目前，研究團隊已在小鼠、大鼠與山羊等動物模型累積資料。廖秀蓉表示，團隊已經在山羊等大型動物的試驗中，在治療組觀察到步態改善與軟骨修復跡象，後續也規劃推進犬隻OA試驗，作為人用產品臨床前資料與市場驗證的橋接資料。
純化、QC與自動化
定細胞外囊泡能否成藥
然而，想要將細胞外囊泡推進臨床試驗，不只要證明安全性與功效，也必須縝密地完成化學製造與管制(CMC)和製程驗證，這也是國際上所有細胞外囊泡療法開發者面臨的挑戰。
黃奇英表示，細胞外囊泡若要作為治療產品，不能只停留在「看起來有效」，而必須回答產品是什麼、有效成分是什麼、每一批是否一致，以及作用機制能否被說明。
若純化流程不夠精準，細胞外囊泡產品中可能混入蛋白質或其他細胞分泌物，進而影響團隊判斷產品中的主要作用成分究竟是細胞外囊泡本身、混雜蛋白質，還是兩者共同作用。
因此，黃奇英和張學嘉帶領研究團隊比較不同純化方式，並導入較高純度的分離系統 (NanoEX)，希望把細胞外囊泡與培養液中其他游離蛋白質區隔得更清楚。他強調，這不只是製程問題，也會影響細胞外囊泡療法能否清楚說明作用基礎。
在品質控管(QC)上，細胞外囊泡也有其技術門檻。黃奇英指出，細胞外囊泡中的miRNA含量低，傳統定量方法不易準確，常用的內參基因也未必適用於細胞外囊泡樣本。因此，團隊逐步建立絕對定量方法，作為未來品質標準的基礎。
「這些工作不一定是最容易被看見的研究成果，卻決定細胞外囊泡能不能被審查、被放大製造，並成為可重複使用的治療產品。」黃奇英說。
此外，若這些細胞外囊泡未來要用於OA，製程放大更是必須提前面對的問題，由於OA潛在患者數龐大，單靠人工培養與純化難以支撐大量需求。因此，研究團隊導入自動化培養系統，並與細胞製造合作夥伴討論製程銜接，嘗試將脂肪幹細胞來源、胜肽刺激與細胞外囊泡純化流程整合，為後續符合優良組織操作規範(Good Tissue Practice, GTP)及優良製造規範(Good Manufacturing Practice, GMP)的製程預作準備。
從臺灣臨床到海外市場
尋找多路徑轉譯入口
經過4年的計畫推進，亞東與陽明交大的細胞外囊泡研究團隊，如今已站在臨床與商品化之路的關鍵路口。雖然已經獲得CDE輔導，黃奇英仍表示，細胞外囊泡作為新興治療產品，在臺灣仍須跨過臨床前動物試驗、CMC、冷鏈、批次穩定性與法規諮詢等重重門檻。
於此同時，研究團隊也看中不同國家對細胞外囊泡、再生醫療與動物治療的規範不同，開始思考如何從國際合作找出突破口，從多路徑布局海外市場發展。
黃奇英表示，研究團隊預計在與國內幹細胞新藥開發商合作下，前進東南亞再生醫療市場，特別是越南與泰國，有望成為研究團隊申請人體臨床試驗的下一站。他表示，國內生技公司與越南醫療研究單位已有合作基礎，並具細胞治療與細胞外囊泡研究經驗，將成為團隊在後續臨床試驗與市場布局的重要節點。
此外，研究團隊也看好再生醫療大國—日本，其建立的自由診療應用場域極具吸引力。他表示，若胜肽原料與細胞外囊泡製備流程可被當地診所或細胞製造單位採用，可能形成授權或原料供應模式。
除此之外，犬隻OA與高經濟價值動物市場，也被團隊視為人用產品之外的驗證與應用路徑。黃奇英表示，研究團隊目前已經獲得來自中東以及澳洲的合作意願，並正在評估在澳洲啟動馬匹的臨床試驗。
陽明交大黃奇英(左)與李利(右)共同推動外泌體療法開發，透過特定胜肽刺激間質幹細胞(MSC)，提升外泌體中的軟骨修復相關訊號，並降低工程化外泌體可能面臨的法規挑戰。(攝影/李林娜)
>>本文刊登自《環球生技月刊》Vol. 138
