結合奈米微粒平台以實現微創幹細胞衍生胰島移植的安全性與成功
我想以一點個人的經驗分享來作為這場演講的開場。我自己也是第一型糖尿病（Type I）的患者，而且我現在剛好處於低血糖的狀態。所以我現在有點流汗，在跟你們說話的同時，我也會喝點果汁。但是，如果說這背後有什麼深層的動機，或者你們想問是什麼在驅使我前進，那就是：我絕對不想再處於這種必須帶著不斷下降的血糖上台演講的處境了。
今天我能夠站在這裡跟你們分享的，不僅僅是幹細胞衍生的類胰島小體（stem cell derived islet-like organoids）或產胰島素細胞，而是我們如何將金奈米微粒（gold nanoparticles）放入這些細胞中，以更好地了解移植後發生的情況，並進一步探討安全性問題。這件事本身就反映了這個領域已經取得了多麼長足的進展。身為一位與第一型糖尿病共存超過三十年、且曾帶領柯林頓健康倡議（CHAI）全球糖尿病計畫的連續創業家，我想與大家分享，三十年前當我被確診時，我的父母被告知「治癒的方法就在眼前」。但我相信在座的每個人都能看到，現在我們確實擁有真正的動能，以及真正具突破性的工作正在發生，而且步伐正在加快。我們雖然還沒達到最終目標，還有很多工作要做，也還有很多挑戰，但這其中也充滿了令人興奮的進展。
當我們思考這些挑戰時——我必須說，Minutia 團隊裡有一半的成員也是第一型糖尿病患者，我們傾向於透過一個核心視角來推進這項工作：「我們自己會放心把這些細胞放進自己的身體裡嗎？」這對我們所有人來說，都是一個非常棒且必須捫心自問的問題。
幹細胞移植領域的挑戰
作為一家致力於製造幹細胞衍生類胰島小體的公司，我們正在思考哪些挑戰？稍早的講者 Holger 已經很好地涵蓋了這個領域的挑戰。我簡單總結一下：首先是製造（Manufacturing），這是一個高度複雜且資本密集的過程；其次是移植部位（Transplant Site），在肝臟等部位的細胞存活率與細胞分佈仍面臨挑戰；再來是系統性免疫抑制（Systemic immunosuppression），這牽涉到低免疫原性（hypoimmune）或細胞封裝（encapsulation）等技術。
然而，我今天主要想跟各位探討的是最後一個挑戰：安全性與變異性（Safety & Variability）。我們面臨著安全性問題，並強烈渴望能有穩健的移植後監測方法。我認為在某種程度上，如果沒有核磁共振（MRIs）和微創移植部位的輔助，這些細胞的植入實際上就像是進入了一個「黑盒子（black box）」。
Minutia 的團隊與製造進展
在 Minutia，我們擁有一個混合型的團隊。我們因為許多人共同擁有第一型糖尿病的生活經驗而團結在一起。我們團隊一半是細胞生物學家、幹細胞生物學家，以及專注於移植耐受性和免疫逃避的專家；另一半則是工程師和化學家，專門研究與我們細胞結合的金奈米微粒。我們的核心團隊包括細胞治療副總裁 Sapna Puri 博士、工程副總裁 Janna Register 博士、臨床醫療長 Orville Kolterman 醫師，以及來自奈米科學、幹細胞製程與移植免疫學等多個領域的專家。
我們擁有一套分化技術流程（differentiation protocol），目前已經縮短到只需二十七天的流程。我們已經成功地用四種不同的細胞株（兩種研究級、兩種臨床級）製造出這些細胞。作為一家公司，我們已經鎖定了我們最青睞、並希望推進到臨床階段的細胞株。我們的專利流程來自 Matthias Hebrok 的實驗室，他是慕尼黑亥姆霍茲中心（Helmholtz Munich）糖尿病與類器官技術研究所的所長，也是製造幹細胞衍生產胰島素細胞的世界級領袖。稍早演講的 Holger 年輕時也曾參與這項工作。
我們公司現在正準備與一家非常有經驗的製造合作夥伴進行技術轉移和擴大生產（scale up）。我們正處於這個關鍵的轉折點上。老實告訴各位，這是一件非常具挑戰性的事情，我們很興奮能迎接這個挑戰，但我無法確切告訴你結果會如何。在接下來的一年裡，我們將在擴大製造這些細胞的能力上學到很多。我現在能告訴你的是，在 Minutia 的實驗室裡，我們已經能夠小批量地製造出非常高品質的細胞，大約是我們預期所需劑量的七分之一。
金奈米微粒的臨床先例與多重應用
今天我主要想跟各位探討的是**移植後監測（post-transplantation monitoring）**的能力。我們將幹細胞衍生的產胰島素細胞，與金奈米微粒結合。大家會發現，我們的 SC 胰島細胞團（SC islet clusters）與其他人的不同之處在於，它們上面佈滿了微小的金顆粒。
這些金奈米微粒實際上已經在臨床上使用了將近二十年。自 2006 年以來，金奈米微粒已獲准用於多種適應症的臨床試驗中，並展現出良好的安全性與極少的不良反應。例如自 2007 年起用於前列腺癌、肺癌等光熱療法（Photothermal Therapy）；自 2006 年起用於膠質母細胞瘤等藥物傳遞；以及自 2019 年起作為治療漸凍症（ALS）、多發性硬化症（MS）與帕金森氏症的治療劑。所以金奈米微粒有著非常豐富的臨床先例。
在 Minutia，我們所做的是將這些顆粒**預先載入（preloaded）我們的幹細胞衍生產胰島素細胞中。而在歷史上，這些顆粒通常是直接注射到腫瘤部位，有時則是靜脈注射。這些顆粒有許多不同的使用方式。對於我們的使用情境，也就是我今天主要討論的，是能夠繪製並視覺化（map and visualize）**移植體。
此外，這些顆粒還可以用作非基因改造的自毀開關（non-genetic kill switch），與基因自毀開關結合，提供額外的安全保障。最後，這些顆粒還可以用作功能性感測器（functional sensor），在整個細胞分化過程中獲取即時數據，觀察細胞中不同生物標記（biomarkers）的變化。
這些顆粒在人體中的使用劑量，通常比我們在細胞移植中使用的劑量高出一百倍。我們技術中使用的奈米微粒濃度非常低，因為它們是預先裝載在產胰島素細胞內，並作為移植物的一部分進行傳遞的。因此，它們非常、非常安全，且其特性已被充分了解。
表面增強拉曼光譜（SERS）與奈米星（Nanostars）技術
這些金奈米微粒呈星形（star-shaped），這使得它們具有很高的吸收與散射比（absorption-to-scattering ratio），並且可以被精確調控。這種可調控的形狀能改變表面電漿共振（surface plasmon），並有效地將光轉化為熱，實現監測與驅動的雙重用途。這是一個非常實用的特性，讓我們能夠在深層組織中，監測這些位於細胞細胞質內的顆粒。
我們使用**表面增強拉曼光譜（Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）**來監測這些顆粒。局部表面電漿能增強拉曼訊號，而奈米星的曲率能進一步增強電磁場。此外，激發波長的靈活性使我們能夠精準鎖定組織的光學窗口（tissue optical window）。
透過將這些顆粒預先載入細胞中，我們實際上獲得了一個非常具體、非常銳利的「條碼（barcode）」訊號。這非常適合用於多重活體內監測（multiplexed in vivo sensing）。與螢光（fluorescence）不同，你可以非常精確地看到細胞的確切位置。
在 Minutia，我們做了大量的工作，展示了在活體內（in vivo）以及取出移植物後的監測能力；當我們自己都找不到移植物時，甚至能利用奈米微粒來定位它們。這是我們在臨床前階段（pre-clinically）的應用。我們也在公司內部進行了廣泛的測試，使用了四種不同的細胞株，證明奈米微粒對我們 SC 胰島細胞的存活率（viability）或表現（performance）沒有任何負面影響。包括奈米微粒的尺寸、電漿吸收、SERS 訊號與膠體穩定性等品管指標，以及細胞的型態與存活率，都經過嚴格把關。
我們也進行了廣泛的研究，證明我們可以透過訊號來**量化（quantify）**不同的細胞數量。在三個獨立的動物群組中，我們觀察到植入的細胞叢數量（如 4K, 6K, 8K）與 SERS 積分強度之間，存在著強烈且正向的相關性。我們還能夠在 3D 空間中繪製移植細胞的位置，並開始在豬隻身上進行實驗，因為豬的皮膚比囓齒類動物模型更接近人類。
應用奈米追蹤器：模擬免疫排斥反應
當談到 SC 胰島細胞中的奈米微粒時，我想探討一個有趣的應用。在目前關於各種免疫逃避技術的討論中，我們能夠使用我們最簡單的奈米微粒——我們稱之為奈米追蹤器（nanotracker）——來模擬免疫排斥（modeling immune rejection）。
我們擁有一個臨床前的檢測系統。這完全不是什麼需要重度工程開發的設備，它的零件都是你可以從 Amazon 或市面上直接買到的現成產品。這個系統包含了客製化的硬體設置（如雷射、光纖探頭、載物台控制器）以及擷取軟體，能夠在小鼠身上進行 2D 區域的掃描，並產生每個像素都包含完整光譜數據的熱像圖（heat map）。
我們將奈米微粒整合到我們的 SC 胰島細胞中，並將它們植入免疫功能正常（immunocompetent）和免疫缺陷（immunocompromised）的小鼠體內。我們能夠觀察到，未經任何基因修飾的野生型細胞（wild type cells）在免疫功能正常的小鼠體內，非常迅速地發生了免疫排斥反應。熱像圖與 SERS 訊號數據顯示，在免疫功能正常的小鼠中，細胞訊號在 21 天內逐漸消失。
同時，在免疫缺陷的小鼠中，我們能夠監測 C-peptide，並進行長達六個月的追蹤繪圖。因此，我認為奈米追蹤器以及觀察這些移植物的形態隨時間變化的能力，確實為我們提供了潛力：不僅能更深入地了解移植後發生的情況，甚至可能為移植受贈者提供**個人化（personalize）**的移植體驗。特別是如果你考慮將前臂（forearm）作為移植部位，我認為這將非常有利於監測。
結語與未來展望
在 Minutia，正如我所提到的，我們有一半的成員受到第一型糖尿病的影響。我們極度致力於將這項工作轉化為實際成果，為第一型糖尿病患者帶來改變。我們許多人都希望有一天能將我們工作中的不同元素，應用到我們自己的身體裡。
我們也是站在巨人的肩膀上。稍早我還在開玩笑說，在這個論壇上我感覺自己像個菜鳥，因為與我同台的都是這個領域的巨頭，是我讀過他們的研究並深感敬佩的人。這項工作真的需要「傾全村之力（takes a village）」。幹細胞衍生療法的挑戰與潛力如此複雜，不可能只靠一個團隊就能完成。我們真的需要齊心協力，盡快將這些技術推進到臨床。
同時，如果你看看這個會議，你會發現幫浦（pumps）和連續血糖監測儀（CGMs）提供了許多選擇性。我認為未來在不同的移植部位、不同的免疫逃避方法上，也會有同樣的選擇性（optionality），讓第一型糖尿病患者可以為自己做出選擇。或者他們也可能選擇繼續使用閉環系統（closed loop system）。
總而言之，在 Minutia，我們有幸能與這個領域中一些令人驚嘆的先驅合作，是他們讓這一切成為可能。我們與免疫逃避幹細胞衍生類胰島小體的專家（如 UCSF 的 Qizhi Tang 博士、耶魯大學的 Kevan Herold 醫師）、推動前臂微創手術的領袖（如 UCSF 的 Peter Stock 醫師、墨爾本的 Tom Kay 醫師，以及前 Novo Nordisk 全球首席醫療官 Alan Moses 醫師），以及生物光子學專家 Tuan Vo-Dinh 博士攜手合作。我們也感謝 CIRM、Breakthrough T1D（前 JDRF）以及 NIH NIDDK 等機構的資金支持。
我今天跟各位分享了很多關於用於繪製地圖的奈米微粒，至於光熱療法元素和非基因自毀開關的功能，我今天就不多談了。但我認為，要將所有這些工作整合在一起，不僅需要領域內的專家，還需要更多人的加入與合作。能從事這項工作讓我感到非常謙卑，感謝我們的合作夥伴，也感謝我們實驗室裡這個超棒的團隊。
謝謝大家。
Q&A
Sanja: Katy，講得太棒了。非常感謝妳。我有兩個可能很簡單的問題。第一，妳的技術可以感測氧合作用（oxygenation）嗎？因為這是移植物存活的必要條件之一。第二個相關的問題是，也許妳有提到但我漏掉了，妳可以測量移植物的存活率，但妳能測量出「雖然細胞還在那裡，但它已經不再製造胰島素」的狀態嗎？
Katy Digovich: 關於妳的第一個問題，我們開發中處於最早期階段的奈米微粒版本，確實包含了一個感測器組件，它可以檢測與缺氧（hypoxia）相關的微小 RNA（microRNAs）。所以是的，我們的研發管線中有這樣的技術，但我們尚未在活體內（in vivo）進行測試。 關於妳的第二個問題，我們觀察到這些顆粒在細胞死亡後的二十四到四十八小時內就會被清除。它們清除得非常、非常快。
Sanja: 好的。抱歉，還有一個問題。這項技術對於更內部的移植部位（例如腹部或其他地方，而不是前臂）的適用性如何？
Katy Digovich: 目前為止，我們做過最深的測試是在豬組織中達到七公分（那不是活體豬）。所以我認為在穿透人體方面絕對還有空間，我會說也許可以達到十公分……嗯，我不知道。關於我們需要達到多深才能發揮作用，我實際上會聽取一些移植外科醫生的意見。您有具體的數字嗎？
觀眾（外科醫生）: 實際上我們把細胞放得非常淺（superficially），所以我們不需要放得更深。
Katy Digovich: 喔，太好了！所以也許我們已經為您達成了這項指標。那真是太棒了。
觀眾: 謝謝妳帶來這麼精彩的演講。妳有計畫將奈米微粒標記應用於人類胰島（human islet）嗎？因為這對我們臨床醫生來說會很有幫助，例如用於診斷免疫排斥反應。因為現在當我們進行切片檢查（biopsy）時，我們只能盲目地進行。如果能有追蹤技術，就能真正幫助我們知道該在哪裡進行切片，也許金奈米微粒能幫上忙。
Katy Digovich: 謝謝您的提問。您是問是否用於大愛捐贈者（deceased donor）的胰島嗎？好的。在早期，我們確實做過一些將奈米微粒應用於大愛捐贈者胰島的研究，當時主要著重於證明我們不會對大愛捐贈者胰島的功能產生負面影響。但是，當我們將奈米微粒整合進去時，發生了顯著的細胞流失，而我們當時並沒有花費太多精力去優化這個過程。 實際上，當我們將奈米微粒與 SC 胰島細胞（幹細胞衍生胰島）整合時，我們觀察到一種趨勢：包含奈米微粒時，細胞的表現似乎有所提升。所以我會說，要將其用於大愛捐贈者胰島，可能需要更多的優化。我不認為這是不可能的，但我的期望是，隨著越來越多幹細胞衍生的類胰島小體即將問世，加上我們自己研發的幹細胞衍生類胰島小體，我們首要的願景是先將這項技術（SC 胰島細胞）推進到臨床應用。