Klinická studie o bezpečnosti a účinnosti exozomů mezenchymálních kmenových buněk pro léčbu COVID-19.

Pozadí 1.1. Nová koronavirová infekce a současné lékařské strategie Koronavirové onemocnění (COVID-19) z roku 2019 způsobené těžkým akutním respiračním syndromem coronavirus 2 (SARS-CoV-2) zuří již více než tři roky a způsobilo více než 5 milionů úmrtí po celém světě. Světová zdravotnická organizace prohlásila zápal plic COVID-19 za celosvětovou pandemii a stav ohrožení veřejného zdraví[1]. Přestože se diagnostická účinnost a přesnost léčby zlepšily, celkový efekt léčby je stále omezený. Mezi hlavní příčiny úmrtí patří těžký zápal plic, syndrom akutní respirační tísně (ARDS), plicní edém nebo selhání více orgánů[2]. Mezi nimi je ARDS nejzávažnější. Patologické studie ukázaly, že patogeneze ARDS je způsobena především imunitní odpovědí vyvolanou koronavirem napadajícím alveolární buňky; infiltrace imunitních buněk vede k destrukci plicní kapilární endoteliální struktury, což způsobí, že plazma, plazmatické proteiny a krevní buňky proniknou do plicního intersticia a alveolární dutiny, čímž se vytvoří plicní edém. V důsledku destrukce alveolární epiteliální tkáně se do alveolů dostává velké množství edémové tekutiny, což má za následek omezenou difuzní funkci alveol a neschopnost vykonávat normální respirační funkci. Současně s prohlubováním poškození tkáně buňky dále uvolňují různé zánětlivé faktory za vzniku tzv. cytokinové bouře, která nakonec zcela zničí většinu plicních alveol a bronchiálních respiračních struktur, což způsobí těžkou ventilačně-perfuzní nerovnováhu a nakonec smrt. pacienta[3].

V této globální mimořádné události koronaviru je hlavní lékařskou strategií v boji proti COVID-19 použití antibiotik a antivirových léků k zablokování cyklu replikace viru a potlačení zánětu hostitele. Tato strategie vedla v některých případech k účinné podpůrné a symptomatické léčbě, která dokonce přinesla slibné výsledky, ale není to konečná léčba této infekce. Například intervence imunitní regulace, jako je tocilizumab (blokátor IL-6 receptoru), adalimumab (anti-TNF protilátka) a eculizumab (anti-C5 protilátka), mohou účinně zmírnit symptomy pacienta, ale nemohou zásadně vyléčit onemocnění. Ve skutečnosti existují dvě hlavní charakteristiky pneumonie COVID-19: za prvé, lidé s nízkou imunitou jsou náchylnější k COVID-19[4], a za druhé, hlavním cílovým orgánem jsou plíce[5]. Ve skutečnosti bylo respirační selhání hlášeno jako jedna z hlavních příčin úmrtí na COVID-19[6] a pitvy prokázaly poškození plic, významné exsudativní reakce a plicní embolii u mnoha pacientů[7].

1.2. Exozomy mezenchymálních kmenových buněk Bylo prokázáno, že mezenchymální kmenové buňky (MSC) mají komplexní a silné imunomodulační a regenerační funkce[8]. MSC mohou bojovat proti buněčné smrti spojené s patogenezí chronické obstrukční plicní nemoci (CHOPN), idiopatické plicní fibrózy, astmatu, ARDS a plicní hypertenze a podporovat buněčnou regeneraci [9,10]. Exozomy jsou jedním z klíčových parakrinních efektorů vylučovaných MSC a jsou považovány za atraktivní kandidáty pro alternativní terapii MSC díky své biokompatibilitě podobné mateřským buňkám a jejich schopnosti zachovat si léčivé vlastnosti[11]. Za fyziologických a patologických podmínek hrají exosomy klíčovou roli v mezibuněčné komunikaci tím, že transportují různé biomolekuly, jako je miRNA a proteiny, do cílových buněk[12]. Na rozdíl od apoptotických tělísek a mikrovezikul pocházejících z buněčného povrchu jsou exozomy produkovány endocytickou cestou a zatěžují cytoplazmatický obsah rodičovské buňky. Jedná se tedy o mini verze rodičovských buněk, které napodobují některé jejich fyziologické vlastnosti. Ve srovnání s buněčnými protějšky je netoxicita, nízká imunogenicita, vysoká stabilita, snadné skladování a potenciál pro hromadnou výrobu jako hotové produkty několika výhodami exosomů, které vedly k jejich rozšíření v klinických aplikacích jako nové terapeutické alternativy. Přirozená funkce exozomů jim navíc umožňuje dodávat jejich membránové a cytoplazmatické bioaktivní složky z rodičovských buněk do cílových buněk prostřednictvím membránové fúze[13]. Existují také další jedinečné vlastnosti, včetně přirozené schopnosti překonat biologické bariéry, jako je hematoencefalická bariéra (BBB). Kromě toho je další charakteristikou biokompatibilita. Vzhledem ke svému původu z biologických zdrojů a vlastní schopnosti cílení byly exozomy používány jako nosiče složek léčiv v preklinických studiích[14].

1.3. Mechanismus léčby exozomů odvozených z mezenchymálních kmenových buněk Exozomy odvozené od MSC dědí imunosupresivní vlastnosti od svých rodičovských buněk a MSC-evs mohou používat různé mechanismy k vyvážení funkce imunitního systému. Jedním z klíčových mechanismů je přeprogramování a změna fenotypu různých imunitních buněk. Například schopnost exozomů odvozených od MSC podporovat přežití alveolárních makrofágů a posunout jejich fenotyp z prozánětlivé (M1) polarizace k protizánětlivé (M2) polarizaci byla prokázána alespoň ve dvou studiích. Tato zjištění naznačují, že exozomy mohou sloužit jako životaschopné alternativy k jejich mateřským buňkám a tato schopnost byla také hlášena jako změna poměru Treg/Teff ke zvýšení Treg a podpoře sekrece protizánětlivých cytokinů [15,16].

V mnoha modelech mají MSC-evs podobné terapeutické charakteristiky jako MSC, snadněji se připravují, uchovávají a transportují na lůžko a vyhýbají se některým omezením buněčné terapie, jako je riziko plicní embolie a tvorby nádorů. V posledních letech se MSC-evs dostalo široké pozornosti jako biomarkerů patogeneze a terapeutických léků pro různé nemoci. Kromě toho mohou exozomy vylučované MSC regulovat imunitu prostřednictvím interakce s imunitními buňkami a inhibovat zánětlivé reakce prostřednictvím cytokinů [17,18]. Četné studie prokázaly, že exozomy sekretované MSC mohou být použity k léčbě imunitních nedostatků, zánětů, ARDS a dalších plicních onemocnění[19,20], takže exozomy sekretované MSC mohou být také účinné při léčbě zánětu plic způsobeného COVID-19. Exosomy jsou jednou z hlavních účinných látek vylučovaných kmenovými buňkami a jsou velké 30-150 nm. Po nebulizaci se exozomy mohou dostat přímo do bronchiolů a alveolů, což přispívá k maximální absorpci léčiv[21]. Několik klinických studií prokázalo, že intravenózní infuze MSC a MSC-ev pro léčbu vážného poškození plic způsobeného SARS-CoV-2 je bezpečná a účinná[22], a v případě poranění plic poskytuje cesta nebulizace zvláště účinný způsob dodávání léků do cílových míst v plicích. Proto spekulujeme, že nebulizované exozomy sekretované MSC mohou být účinnou metodou pro snížení poškození plic COVID-19 a podporu zotavení.

1.4. Klinické případové studie exozomů pocházejících z kmenových buněk Nedávno inhalovaný lék proti COVID-19 Exo-CD24, vedený odborníkem z izraelského lékařského centra Nadirem Arberem, který je kombinací exozomů a proteinu CD24, ukázal v raných klinických studiích slibné výsledky. . Lék dokázal vyléčit 29 z 30 těžkých pacientů během 5 dnů léčby a má potenciál léčit pacienty s COVID-19 během 3-5 dnů. Přestože Exo-CD24 ještě neprošel testováním fáze III, ukázal velký potenciál do budoucna[23]. Americká FDA schválila použití extracelulárních vezikul (EVS) k léčbě COVID-19 prostřednictvím studie fáze I/II provedené společností Direct Biologics. ExoFlo, používaný EVS, obnovuje zdraví a vitalitu pacientů snížením trvalého zánětu, podporou revaskularizace poškozené tkáně a přetvořením jizvy. Byly také zahájeny domácí klinické studie, klinický výzkum v Páté lidové nemocnici ve městě Wuxi v provincii Ťiang-su potvrdil, že nebulizované extracelulární vezikuly pocházející z mezenchymálních kmenových buněk z pupečníku jsou bezpečnou a životaschopnou léčbou COVID-19. Studie byla publikována v Stem Cell Reviews and Reports v červnu tohoto roku a zahrnovala sedm pacientů s diagnostikovanou pneumonií COVID-19, včetně dvou závažných případů (pacienti 2 a 4) a pěti mírných případů (pacienti 1, 3, 5, 6, a 7). Žádné akutní alergické reakce jako otok hrdla nebo jazyka, vyrážka, dušnost, závratě, zvracení nebo hypotenze nebyly pozorovány u žádného z pacientů do dvou hodin po léčbě nebulizací. Po léčbě také nebyly hlášeny žádné nežádoucí účinky nebo sekundární alergické reakce. CT vyšetření hrudníku prokázalo snížení hustoty uzlů v plicním laloku a absorpci plicních lézí u těžkých i mírných pacientů po nebulizované léčbě extracelulárními vezikuly odvozenými od MSC [21]. Společný výzkum nemocnice Ruijin a nemocnice Jinyintan se provádí na nebulizované léčbě COVID-19 pomocí exozomů odvozených z lidských alogenních mezenchymálních kmenových buněk odvozených z tukové tkáně (HAMSCs-Exos). Sedm kriticky nemocných pacientů s COVID-19 bylo léčeno HAMSC-Exos inhalací pomocí nebulizace a všichni pacienti léčbu dobře tolerovali bez známek nežádoucích účinků nebo klinické nestability během nebo bezprostředně po nebulizaci. U všech pacientů došlo ke zvýšení počtu sérových lymfocytů (medián 1,61×10^9/l vs 1,78×10^9/l) a plicní léze byly u všech pacientů po inhalaci aerosolů HAMSC-Exos v různé míře redukovány, přičemž čtyři pacienti vykazující výrazné zlepšení. Předběžné výsledky naznačují, že poranění plic účastníků se významně zlepšilo[21].

Většina klinických studií používajících exozomy kmenových buněk pro infekci COVID-19 však má následující problémy: (a) malá velikost vzorku, což ztěžuje efektivní demonstraci výhod exozomů kmenových buněk při léčbě COVID-19; b) nepřítomnost kontrolní skupiny; c) používání tradičních dvourozměrných výrobních metod, které znesnadňují rozšiřování výroby velkého množství exosomů pro klinickou léčbu; a d) nedostatek hloubkového průzkumu mechanismů pro příslušné jevy. Tyto problémy brání pokroku ve využívání exozomů kmenových buněk k léčbě infekce COVID-19. K řešení těchto problémů tento projekt navrhuje kombinaci exozomů mezenchymálních kmenových buněk z pupeční šňůry s konvenční léčbou k léčbě středně těžkých až těžkých pacientů s COVID-19 a hodnocení její bezpečnosti a účinnosti.