En klinisk undersøgelse af sikkerhed og effektivitet af mesenkymale stamcelle-eksosomer til behandling af COVID-19.

Baggrund 1.1. Ny Coronavirus-infektion og nuværende medicinske strategier 2019-coronavirussygdommen (COVID-19) forårsaget af alvorligt akut respiratorisk syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) har raset i over tre år og forårsaget mere end 5 millioner dødsfald på verdensplan. Verdenssundhedsorganisationen har erklæret COVID-19-lungebetændelse for en global pandemi og en nødsituation for folkesundheden[1]. Selvom diagnostisk effektivitet og behandlingsnøjagtighed er forbedret, er den samlede behandlingseffekt stadig begrænset. De vigtigste dødsårsager omfatter svær lungebetændelse, akut respiratory distress syndrome (ARDS), lungeødem eller multipel organsvigt[2]. Blandt dem er ARDS den mest alvorlige. Patologiske undersøgelser har vist, at patogenesen af ​​ARDS hovedsageligt skyldes immunresponset induceret af coronavirus, der angriber alveolære celler; immuncelleinfiltration fører til ødelæggelse af den pulmonale kapillære endotelstruktur, hvilket får plasma, plasmaproteiner og blodceller til at trænge ind i lungens interstitium og alveolære hulrum, hvilket danner lungeødem. På grund af ødelæggelsen af ​​det alveolære epitelvæv kommer en stor mængde ødemvæske ind i alveolerne, hvilket resulterer i begrænset diffusionsfunktion af alveolerne og manglende evne til at udføre normal respirationsfunktion. Samtidig, med forværring af vævsskade, frigiver celler yderligere forskellige inflammatoriske faktorer for at danne en såkaldt cytokinstorm, som til sidst fuldstændig ødelægger de fleste lungealveoler og bronchial respiratoriske strukturer, hvilket forårsager alvorlig ventilation-perfusion ubalance og i sidste ende død af patienten[3].

I denne globale nødbegivenhed med coronavirus er den vigtigste medicinske strategi til at bekæmpe COVID-19 at bruge antibiotika og antivirale lægemidler til at blokere virusreplikationscyklussen og undertrykke værtsinflammation. Denne strategi har ført til effektiv understøttende og symptomatisk behandling i nogle tilfælde, endda givet lovende resultater, men det er ikke den ultimative behandling for denne infektion. For eksempel kan immunreguleringsinterventioner som tocilizumab (IL-6-receptorblokker), adalimumab (anti-TNF-antistof) og eculizumab (anti-C5-antistof) effektivt lindre patientsymptomer, men kan ikke helbrede sygdommen fundamentalt. Faktisk er der to hovedkarakteristika ved COVID-19 lungebetændelse: For det første er mennesker med lav immunitet mere modtagelige for COVID-19[4], og for det andet er hovedmålorganet lungerne[5]. Faktisk er respirationssvigt blevet rapporteret som en af ​​hovedårsagerne til dødsfald som følge af COVID-19[6], og obduktioner har vist lungeskade, betydelige ekssudative reaktioner og lungeemboli hos mange patienter[7].

1.2. Mesenkymale stamcelleeksosomer Mesenchymale stamceller (MSC'er) har vist sig at have omfattende og kraftfulde immunmodulerende og regenerative funktioner[8]. MSC'er kan bekæmpe celledød forbundet med patogenesen af ​​kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL), idiopatisk lungefibrose, astma, ARDS og pulmonal hypertension og fremme celleregenerering[9,10]. Exosomer er en af ​​de vigtigste parakrine effektorer, der udskilles af MSC'er og betragtes som attraktive kandidater til alternativ MSC-terapi på grund af deres biokompatibilitet svarende til forældreceller og deres evne til at opretholde helbredende egenskaber[11]. Under fysiologiske og patologiske forhold spiller exosomer en nøglerolle i intercellulær kommunikation ved at transportere forskellige biomolekyler såsom miRNA og proteiner til målceller[12]. I modsætning til apoptotiske kroppe og mikrovesikler afledt fra celleoverfladen, produceres exosomer gennem den endocytiske vej og belaster det cytoplasmatiske indhold af modercellen. Derfor er de miniversioner af forældreceller, der efterligner nogle af deres fysiologiske egenskaber. Sammenlignet med cellemodparter er ikke-toksiciteten, den lave immunogenicitet, den høje stabilitet, den nemme opbevaring og potentialet for masseproduktion som færdiglavede produkter flere fordele ved exosomer, som har ført til deres ekspansion i kliniske anvendelser som nye terapeutiske alternativer. Derudover tillader den naturlige funktion af exosomer dem at levere deres membran og cytoplasmatiske bioaktive komponenter fra forældreceller til målceller gennem membranfusion[13]. Der er også andre unikke egenskaber, herunder den naturlige evne til at krydse biologiske barrierer såsom blod-hjerne-barrieren (BBB). Desuden er biokompatibilitet en anden egenskab. På grund af deres oprindelse fra biologiske kilder og iboende målretningsevne er exosomer blevet brugt som bærere af lægemiddelkomponenter i prækliniske undersøgelser[14].

1.3. Mesenkymale stamcelle-afledte exosomer-behandling. MSC-afledte exosomer arver immunundertrykkende egenskaber fra deres moderceller, og MSC-evs kan bruge forskellige mekanismer til at balancere immunsystemets funktion. En nøglemekanisme er omprogrammering og ændring af fænotypen af ​​forskellige immunceller. For eksempel er evnen af ​​MSC-afledte exosomer til at fremme overlevelsen af ​​alveolære makrofager og skifte deres fænotype fra pro-inflammatorisk (M1) polarisering til anti-inflammatorisk (M2) polarisering blevet påvist i mindst to undersøgelser. Disse resultater tyder på, at exosomer kan tjene som levedygtige alternativer til deres forældreceller, og denne evne er også blevet rapporteret at ændre Treg/Teff-forholdet for at øge Treg og fremme udskillelsen af ​​anti-inflammatoriske cytokiner[15,16].

I flere modeller har MSC-evs lignende terapeutiske egenskaber som MSC'er, er nemmere at forberede, opbevare og transportere til sengekanten og undgå nogle begrænsninger af celleterapi, såsom risikoen for lungeemboli og tumordannelse. I de senere år har MSC-evs fået udbredt opmærksomhed som biomarkører for patogenese og terapeutiske lægemidler til en række forskellige sygdomme. Derudover kan MSC-udskilte exosomer regulere immunitet gennem interaktion med immunceller og hæmme inflammatoriske responser gennem cytokiner[17,18]. Adskillige undersøgelser har vist, at MSC-udskilte exosomer kan bruges til at behandle immundefekter, inflammation, ARDS og andre lungesygdomme[19,20], så MSC-udskilte exosomer kan også være effektive til behandling af lungebetændelse forårsaget af COVID-19 .Exosomer er en af ​​de vigtigste aktive ingredienser, der udskilles af stamceller og er 30-150 nm store. Efter forstøvning kan exosomer direkte nå bronkiolerne og alveolerne, hvilket er befordrende for den maksimale absorption af lægemidler[21]. Flere kliniske forsøg har vist, at intravenøs infusion af MSC'er og MSC-evs til behandling af alvorlig lungeskade forårsaget af SARS-CoV-2 er sikker og effektiv[22], og i tilfælde af lungeskade giver forstøvningsvejen en særlig effektiv lægemiddelleveringsmetode til at målrette lungesteder. Derfor spekulerer vi i, at forstøvede MSC-udskilte exosomer kan være en effektiv metode til at reducere COVID-19 lungeskader og fremme restitution.

1.4. Kliniske casestudier af stamcelle-afledte exosomer For nylig har det inhalerede anti-COVID-19-lægemiddel Exo-CD24, ledet af den israelske lægecenterekspert Nadir Arber, som er en kombination af exosomer og CD24-protein, vist lovende resultater i tidlige kliniske forsøg . Lægemidlet var i stand til at helbrede 29 ud af 30 alvorlige patienter inden for 5 dage efter behandling og har potentiale til at behandle COVID-19 patienter inden for 3-5 dage. Selvom Exo-CD24 endnu ikke har bestået fase III-testning, har den vist et stort potentiale i fremtiden[23]. Det amerikanske FDA har godkendt brugen af ​​ekstracellulære vesikler (EVS) til behandling af COVID-19 gennem et fase I/II-forsøg udført af Direct Biologics. ExoFlo, den anvendte EVS, genopretter patienternes sundhed og vitalitet ved at reducere vedvarende inflammation, fremme revaskularisering af beskadiget væv og omforme arvæv. Indenlandske kliniske undersøgelser er også blevet indledt, klinisk forskning ved det femte folkehospital i Wuxi City, Jiangsu-provinsen, har bekræftet, at forstøvede navlestrengs mesenkymale stamcelle-afledte ekstracellulære vesikler er en sikker og levedygtig behandling af COVID-19. Undersøgelsen blev offentliggjort i Stem Cell Reviews and Reports i juni i år og omfattede syv patienter diagnosticeret med COVID-19 lungebetændelse, herunder to alvorlige tilfælde (patienter 2 og 4) og fem milde tilfælde (patienter 1, 3, 5, 6, og 7). Ingen akutte allergiske reaktioner såsom hævelse af hals eller tunge, udslæt, åndenød, svimmelhed, opkastning eller hypotension blev observeret hos nogen af ​​patienterne inden for to timer efter forstøvningsbehandling. Der var heller ingen rapporterede bivirkninger eller sekundære allergiske reaktioner efter behandling. CT-scanninger af brystet viste et fald i lungelappens knudertæthed og absorption af lungelæsioner hos både svære og milde patienter efter forstøvet behandling med MSC-afledte ekstracellulære vesikler[21]. Fælles forskning fra Ruijin Hospital og Jinyintan Hospital udføres på forstøvet COVID-19-behandling ved hjælp af fedtafledte humane allogene mesenkymale stamcelle-afledte exosomer (HAMSCs-Exos). Syv kritisk syge COVID-19 patienter blev behandlet med HAMSC-Exos via forstøverinhalation, og alle patienter tolererede behandlingen godt uden tegn på bivirkninger eller klinisk ustabilitet under eller umiddelbart efter forstøver. Alle patienter viste en stigning i serumlymfocyttal (median på 1,61×10^9/L vs. 1,78×10^9/L), og lungelæsioner blev reduceret i varierende grad hos alle patienter efter inhalering af HAMSC-Exos aerosoler, med fire patienter viser betydelig forbedring. Foreløbige resultater tyder på, at deltagernes lungeskader var signifikant forbedret[21].

De fleste kliniske forsøg med stamcelle-eksosomer til COVID-19-infektion har dog følgende problemer: (a) lille prøvestørrelse, hvilket gør det vanskeligt effektivt at demonstrere fordelene ved stamcelle-eksosomer i COVID-19-behandling; (b) mangel på en kontrolgruppe; c) anvendelse af traditionelle todimensionelle produktionsmetoder, hvilket gør det vanskeligt at opskalere produktionen af ​​store mængder exosomer til klinisk behandling; og (d) mangel på dybdegående mekanismeudforskning for relevante fænomener. Disse problemer hindrer fremskridt i brugen af ​​stamcelle-eksosomer til COVID-19-infektionsbehandling. For at løse disse problemer foreslår dette projekt at kombinere forstøvede mesenkymale stamcelle-exosomer fra navlestrengen med konventionel behandling til behandling af mellem- til svære COVID-19-patienter og evaluere dets sikkerhed og effektivitet.