Eine klinische Studie zur Sicherheit und Wirksamkeit mesenchymaler Stammzellen-Exosomen zur Behandlung von COVID-19.

Hintergrund 1.1. Neue Coronavirus-Infektion und aktuelle medizinische Strategien Die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), die durch das schwere akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) verursacht wird, wütet seit über drei Jahren und verursacht weltweit mehr als 5 Millionen Todesfälle. Die Weltgesundheitsorganisation hat die COVID-19-Pneumonie zu einer globalen Pandemie und einem öffentlichen Gesundheitsnotstand erklärt[1]. Obwohl sich die diagnostische Effizienz und Behandlungsgenauigkeit verbessert haben, ist der Behandlungseffekt insgesamt immer noch begrenzt. Zu den Haupttodesursachen gehören schwere Lungenentzündung, akutes Atemnotsyndrom (ARDS), Lungenödem oder multiples Organversagen[2]. Unter ihnen ist ARDS die schwerste. Pathologische Studien haben gezeigt, dass die Pathogenese von ARDS hauptsächlich auf die Immunantwort zurückzuführen ist, die durch das Coronavirus ausgelöst wird, das Alveolarzellen angreift; Die Infiltration von Immunzellen führt zur Zerstörung der Endothelstruktur der Lungenkapillaren, was dazu führt, dass Plasma, Plasmaproteine ​​und Blutzellen in das Lungeninterstitium und die Alveolarhöhle gelangen und ein Lungenödem bilden. Aufgrund der Zerstörung des alveolären Epithelgewebes dringt eine große Menge an Ödemflüssigkeit in die Alveolen ein, was zu einer eingeschränkten Diffusionsfunktion der Alveolen und der Unfähigkeit führt, eine normale Atmungsfunktion auszuführen. Gleichzeitig setzen die Zellen mit der Verschlimmerung der Gewebeschädigung verschiedene Entzündungsfaktoren weiter frei, um einen sogenannten Zytokinsturm zu bilden, der schließlich die meisten Lungenbläschen und bronchialen Atmungsstrukturen vollständig zerstört, was zu einem schweren Ventilations-Perfusions-Ungleichgewicht und schließlich zum Tod führt des Patienten[3].

In diesem globalen Notfall des Coronavirus besteht die wichtigste medizinische Strategie zur Bekämpfung von COVID-19 darin, Antibiotika und antivirale Medikamente einzusetzen, um den Virusreplikationszyklus zu blockieren und die Wirtsentzündung zu unterdrücken. Diese Strategie hat in einigen Fällen zu einer wirksamen unterstützenden und symptomatischen Behandlung geführt, die sogar vielversprechende Ergebnisse lieferte, aber es ist nicht die ultimative Behandlung für diese Infektion. Beispielsweise können immunregulierende Maßnahmen wie Tocilizumab (IL-6-Rezeptorblocker), Adalimumab (Anti-TNF-Antikörper) und Eculizumab (Anti-C5-Antikörper) die Symptome der Patienten wirksam lindern, aber die Krankheit nicht grundlegend heilen. Tatsächlich gibt es zwei Hauptmerkmale der COVID-19-Pneumonie: Erstens sind Menschen mit geringer Immunität anfälliger für COVID-19[4] und zweitens ist die Lunge das Hauptzielorgan[5]. Tatsächlich wurde respiratorisches Versagen als eine der Haupttodesursachen von COVID-19 berichtet[6], und Autopsien haben bei vielen Patienten Lungenschäden, signifikante Exsudationsreaktionen und Lungenembolie gezeigt[7].

1.2. Exosomen mesenchymaler Stammzellen Es wurde gezeigt, dass mesenchymale Stammzellen (MSCs) umfassende und starke immunmodulatorische und regenerative Funktionen haben[8]. MSCs können den Zelltod im Zusammenhang mit der Pathogenese von chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), idiopathischer Lungenfibrose, Asthma, ARDS und pulmonaler Hypertonie bekämpfen und die Zellregeneration fördern[9,10]. Exosomen sind einer der wichtigsten parakrinen Effektoren, die von MSCs sezerniert werden, und gelten aufgrund ihrer ähnlichen Biokompatibilität wie Elternzellen und ihrer Fähigkeit, heilende Eigenschaften aufrechtzuerhalten[11] als attraktive Kandidaten für eine alternative MSC-Therapie. Unter physiologischen und pathologischen Bedingungen spielen Exosomen eine Schlüsselrolle in der interzellulären Kommunikation, indem sie verschiedene Biomoleküle wie miRNA und Proteine ​​zu Zielzellen transportieren[12]. Im Gegensatz zu apoptotischen Körpern und Mikrovesikeln, die von der Zelloberfläche stammen, werden Exosomen über den endozytischen Weg produziert und laden den zytoplasmatischen Inhalt der Elternzelle. Daher sind sie Miniversionen von Elternzellen, die einige ihrer physiologischen Eigenschaften nachahmen. Im Vergleich zu Zellgegenstücken sind die Ungiftigkeit, geringe Immunogenität, hohe Stabilität, einfache Lagerung und das Potenzial für die Massenproduktion als Fertigprodukte mehrere Vorteile von Exosomen, die zu ihrer Ausweitung in klinischen Anwendungen als neue therapeutische Alternativen geführt haben. Darüber hinaus ermöglicht die natürliche Funktion von Exosomen, ihre membran- und zytoplasmatischen bioaktiven Komponenten von Elternzellen durch Membranfusion an Zielzellen abzugeben[13]. Es gibt auch andere einzigartige Eigenschaften, einschließlich der natürlichen Fähigkeit, biologische Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​zu überwinden. Darüber hinaus ist die Biokompatibilität ein weiteres Merkmal. Aufgrund ihres Ursprungs aus biologischen Quellen und ihrer inhärenten Targeting-Fähigkeit wurden Exosomen in präklinischen Studien als Träger von Arzneimittelkomponenten verwendet[14].

1.3. Mechanismus der Behandlung mit von mesenchymalen Stammzellen stammenden Exosomen Von MSC stammende Exosomen erben immunsuppressive Eigenschaften von ihren Elternzellen, und MSC-evs können verschiedene Mechanismen verwenden, um die Funktion des Immunsystems auszugleichen. Ein Schlüsselmechanismus ist die Umprogrammierung und Veränderung des Phänotyps verschiedener Immunzellen. Beispielsweise wurde die Fähigkeit von MSC-abgeleiteten Exosomen, das Überleben von Alveolarmakrophagen zu fördern und ihren Phänotyp von einer entzündungsfördernden (M1) Polarisierung zu einer entzündungshemmenden (M2) Polarisierung zu verschieben, in mindestens zwei Studien nachgewiesen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Exosomen als brauchbare Alternativen zu ihren Elternzellen dienen können, und es wurde auch berichtet, dass diese Fähigkeit das Treg/Teff-Verhältnis verändert, um Treg zu erhöhen und die Sekretion von entzündungshemmenden Zytokinen zu fördern[15,16].

In mehreren Modellen haben MSC-evs ähnliche therapeutische Eigenschaften wie MSCs, sind einfacher vorzubereiten, zu lagern und zum Bett zu transportieren und vermeiden einige Einschränkungen der Zelltherapie, wie das Risiko einer Lungenembolie und Tumorbildung. In den letzten Jahren haben MSC-evs als Biomarker der Pathogenese und als Therapeutika für eine Vielzahl von Krankheiten große Aufmerksamkeit erfahren. Darüber hinaus können MSC-sezernierte Exosomen die Immunität durch Interaktion mit Immunzellen regulieren und Entzündungsreaktionen durch Zytokine hemmen [17,18]. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass MSC-sezernierte Exosomen zur Behandlung von Immunschwäche, Entzündungen, ARDS und anderen Lungenerkrankungen eingesetzt werden können[19,20], sodass MSC-sekretierte Exosomen auch bei der Behandlung der durch COVID-19 verursachten Lungenentzündung wirksam sein können .Exosomen sind einer der wichtigsten von Stammzellen ausgeschiedenen Wirkstoffe und haben eine Größe von 30-150 nm. Nach der Vernebelung können Exosomen direkt die Bronchiolen und Alveolen erreichen, was der maximalen Absorption von Medikamenten förderlich ist[21]. Mehrere klinische Studien haben gezeigt, dass die intravenöse Infusion von MSCs und MSC-evs zur Behandlung schwerer Lungenschäden, die durch SARS-CoV-2 verursacht werden, sicher und wirksam ist[22], und im Falle einer Lungenverletzung bietet die Vernebelungsroute einen besonderen Vorteil wirksame Methode zur Verabreichung von Arzneimitteln an Lungenstellen. Daher spekulieren wir, dass vernebelte MSC-sezernierte Exosomen eine wirksame Methode zur Reduzierung von COVID-19-Lungenschäden und zur Förderung der Genesung sein könnten.

1.4. Klinische Fallstudien zu aus Stammzellen gewonnenen Exosomen Kürzlich hat das inhalative Anti-COVID-19-Medikament Exo-CD24 unter der Leitung des Experten des israelischen medizinischen Zentrums, Nadir Arber, eine Kombination aus Exosomen und CD24-Protein, vielversprechende Ergebnisse in frühen klinischen Studien gezeigt . Das Medikament konnte 29 von 30 schwer erkrankten Patienten innerhalb von 5 Behandlungstagen heilen und hat das Potenzial, COVID-19-Patienten innerhalb von 3-5 Tagen zu behandeln. Obwohl Exo-CD24 die Phase-III-Tests noch nicht bestanden hat, hat es ein großes Potenzial für die Zukunft gezeigt[23]. Die US-amerikanische FDA hat die Verwendung von extrazellulären Vesikeln (EVS) zur Behandlung von COVID-19 im Rahmen einer von Direct Biologics durchgeführten Phase-I/II-Studie genehmigt. ExoFlo, das verwendete EVS, stellt die Gesundheit und Vitalität der Patienten wieder her, indem es anhaltende Entzündungen reduziert, die Revaskularisierung von geschädigtem Gewebe fördert und Narbengewebe umgestaltet. Klinische Studien im Inland wurden ebenfalls eingeleitet. Die klinische Forschung am Fünften Volkskrankenhaus der Stadt Wuxi, Provinz Jiangsu, hat bestätigt, dass vernebelte, aus mesenchymalen Stammzellen gewonnene extrazelluläre Vesikel aus der Nabelschnur eine sichere und praktikable Behandlung für COVID-19 darstellen. Die Studie wurde im Juni dieses Jahres in Stem Cell Reviews and Reports veröffentlicht und umfasste sieben Patienten, bei denen eine COVID-19-Pneumonie diagnostiziert wurde, darunter zwei schwere Fälle (Patienten 2 und 4) und fünf leichte Fälle (Patienten 1, 3, 5, 6, und 7). Bei keinem der Patienten wurden innerhalb von zwei Stunden nach der Vernebelungsbehandlung akute allergische Reaktionen wie Hals- oder Zungenschwellung, Hautausschlag, Kurzatmigkeit, Schwindel, Erbrechen oder Hypotonie beobachtet. Es wurden auch keine unerwünschten Ereignisse oder sekundäre allergische Reaktionen nach der Behandlung gemeldet. Thorax-CT-Scans zeigten eine Abnahme der Lungenlappenknotendichte und Absorption von Lungenläsionen sowohl bei schweren als auch bei leichten Patienten nach einer vernebelten Behandlung mit MSC-abgeleiteten extrazellulären Vesikeln[21]. Das Ruijin-Krankenhaus und das Jinyintan-Krankenhaus führen derzeit gemeinsame Forschungsarbeiten zur vernebelten COVID-19-Behandlung mit aus Fettgewebe gewonnenen Exosomen aus humanen allogenen mesenchymalen Stammzellen (HAMSCs-Exos) durch. Sieben schwerkranke COVID-19-Patienten wurden mit HAMSC-Exos mittels Vernebelungsinhalation behandelt, und alle Patienten vertrugen die Behandlung gut ohne Anzeichen von Nebenwirkungen oder klinischer Instabilität während oder unmittelbar nach der Vernebelung. Alle Patienten zeigten einen Anstieg der Lymphozytenzahl im Serum (Median von 1,61 × 10^9/L vs. 1,78 × 10^9/L), und die Lungenläsionen wurden bei allen Patienten nach Inhalation von HAMSC-Exos-Aerosolen in unterschiedlichem Maße reduziert, bei vier Patienten deutliche Besserung zeigt. Vorläufige Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Lungenverletzungen der Teilnehmer signifikant verbessert wurden[21].

Die meisten klinischen Studien mit Stammzell-Exosomen für die COVID-19-Infektion weisen jedoch die folgenden Probleme auf: (a) kleine Stichprobengröße, die es schwierig macht, die Vorteile von Stammzell-Exosomen bei der COVID-19-Behandlung effektiv nachzuweisen; (b) Fehlen einer Kontrollgruppe; (c) Verwendung traditioneller zweidimensionaler Herstellungsmethoden, die es schwierig machen, die Produktion großer Mengen von Exosomen für die klinische Behandlung zu vergrößern; und (d) Mangel an eingehender Erforschung der Mechanismen für relevante Phänomene. Diese Probleme behindern den Fortschritt bei der Verwendung von Stammzell-Exosomen zur Behandlung von COVID-19-Infektionen. Um diese Probleme anzugehen, schlägt dieses Projekt vor, vernebelte Nabelschnur-Mesenchym-Stammzellen-Exosomen mit konventioneller Behandlung zu kombinieren, um mittelschwere bis schwere COVID-19-Patienten zu behandeln und ihre Sicherheit und Wirksamkeit zu bewerten.