Diseases In A Dish
以誘導性多功能幹細胞 iPSC 為基礎的藥物研發平台

誘導性多功能幹細胞 (induced pluripotent stem cells, iPSC) 的發現可說是生物醫學領域的一個重要里程碑，透過 iPSC 技術，我們將能夠經由對體細胞的重新編程，在培養皿中建立出疾病模式進行測試。相較於傳統以動物建立疾病模式的方式，iPSC 技術的出現大幅降低了疾病模式建立的困難度與複雜度，進而推動癌症、心血管、神經退化性疾病等多方面疾病研究領域的長足躍進 [1]。

京都大學山中伸彌 (Shinya Yamanaka) 教授因其在 iPSC 領域的卓越貢獻，被授與 2012 年諾貝爾生理醫學獎，他對 iPSC 在臨床醫療領域的應用寄予了厚望，山中伸彌教授曾表示：

With the ability to differentiate into virtually all types of cell and to grow robustly like ES cells, iPS cells have enormous potential for pharmaceutical and clinical applications. Patient-specific iPS cells can be used to produce disease model cells in which the pathological process can be studied. Thousands of chemicals and natural products can be tested on such cells, some of which we hope will become new effective medicines for intractable diseases [2].

目前 iPSC 的應用領域主要涵蓋：細胞治療、藥物研發、毒理測試、疾病模式建立、個人化醫療 [3]。相對於其他治療方式，iPSC 用於細胞治療的關鍵優勢在於倫理法規和現貨即用 (off-on-shelf) 的定製方式。與胚胎幹細胞不同，iPSC 來源為成體而非人類胚胎，倫理風險小；另一方面，藉助基因工程技術，iPSC 能針對不同疾病創建基因定製細胞株，同時降低免疫排斥風險，以實現現貨即用、可大規模生產的細胞治療產品。

iPSC 應用領域。IMAGE © BioInformant.

距 iPSC 研究獲諾貝爾獎 7 年後，2019 年 12 月 Fate Therapeutics 公司發表了首個獲得美國食品藥物管理局 (FDA) 批准進入臨床新藥測試的同時嵌合有三個抗癌成分設計的 iPSC 來源 CAR-NK (chimeric antigen receptor natural killer cells) 細胞免疫治療產品「FT596」。FT596 是由 iPSC 分化而成的自然殺手細胞，經基因改造後其細胞表面不僅嵌合有 CD-19 標靶抗體，還具有 CD16 Fc 受體、以及 IL15 受體片段，以增強其抗體依賴性細胞毒殺作用 (antibody-dependent cell cytotoxicity, ADCC) 效力、並促進延長作用時效與功能。

Fate Therapeutics 公司已陸續取得 90 多項專利和 100 多項待批專利，以用於“現貨即用型”iPSC 細胞治療產品的開發與生產。iPSC 技術的引入，已為細胞療法開啟一個嶄新的局面，將有望改善目前細胞療法生產成本昂貴、定製費時、效能不穩定等問題 [4-7]。

FT596 設計圖示。FT596 is created from a clonal master iPSC line engineered with the following features to enhance anti-tumor effector function: (1) An NK cell-specific anti-CD19 CAR promotes enhanced cytotoxicity against CD19-expressing malignancies; (2) A high-affinity, non-cleavable CD16 Fc receptor promotes enhanced antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) when combined with therapeutic monoclonal antibodies; (3) A novel IL-15 receptor fusion enhances the persistence and expansion capabilities without requiring co-administration of cytokine support. IMAGE © Fate Therapeutics.

而在實際的 iPSC 藥物研發過程中，正面臨到的獨特挑戰就是如何同時管控處理大量的、需長期培養的 iPSC 細胞？以開發神經退化性疾病相關藥物為例，iPSC 來源的神經元細胞往往需要在同一個 384-well 微量多孔盤中進行長達數週的培養，以獲得相對成熟的細胞。特別是以年長病患的細胞樣本建立疾病模式時，更會進一步延長 iPSC 細胞的培養週期。然而，隨著培養時間的增加，細胞污染和聚團的風險也會增加，且長期培養也會使得微量盤中每個孔洞間的細胞數量差異變大，這些問題皆會影響後續藥物篩選結果，造成其可信度降低。

以 iPSC 為基礎的藥物研發平台。IMAGE © Evotec.

針對這個難題，德國 Evotec 公司聯合新藥開發技術領導品牌 PerkinElmer，共同開發打造了 XLII cell::explorer System，能夠將 iPSC 細胞長期培養、細胞品質監控、以及藥物篩選流程整合自動化，並達到工業量產等級。該系統設置於配置有層流式空氣系統 (laminar airflow) 的無菌環境中，支援 384-well 微量多孔盤規格的 iPSC 細胞全自動培養，包含細胞接種、培養基更換和加藥處理等；並由 EnSight™ 檢測儀進行細胞品質的常規掃描監控，包含污染物、細胞密度、細胞團塊等，透過智慧軟體的判讀，任何不符合細胞品質檢測標準的培養盤都將被自動放入隔離培養箱中。PerkinElmer 研發團隊在此文件中詳實記錄了使用 XLII cell::explorer 系統進行 500 盤 iPSC 神經元細胞長期培養的前導試驗結果 [8-10]，詳細產品資訊歡迎洽詢 PerkinElmer 台灣代理 — 伯森生技。

XLII cell::explorer System — 全自動 iPSC 長期培養與高通量藥物篩選平台。短片：2分33秒 © Evotec.

References

1. Diseases in a dish: modeling human genetic disorders using induced pluripotent cells. Nat Med. 2011 Dec;17(12):1570-6. PMID: 22146428
2. Shinya Yamanaka – Biographical. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Article
3. iPS Cell Therapy: Is Japan the Market Leader? BioInformant. Article
4. Off-the-Shelf Natural Killer Cells with Multi-Functional Engineering Using a Novel Anti-CD19 Chimeric Antigen Receptor Combined with Stabilized CD16 and IL15 Expression to Enhance Directed Anti-Tumor Activity. Blood (2018) 132 (Supplement 1): 4541. DOI: 10.1182/blood-2018-99-113701
5. Fate Therapeutics Announces New Preclinical Data for FT596 Off-the-Shelf, iPSC-derived CAR NK Cell Cancer Immunotherapy. Fate Therapeutics. News. 2019 Dec 08.
6. FT596. Fate Therapeutics. Article
7. iPSC Platform. Fate Therapeutics. Article
8. iPSC Plateform: An industry leading iPSC-based drug discovery platform. Evotec. Article
9. iPSC Automation: High-throughput System For iPSC-based Drug Screening. Evotec. Article
10. Culture and Quality Control of Human iPSC-Derived Cells Using an Automated High Throughput Approach. PerkinElmer. Article