Uno studio clinico sulla sicurezza e l'efficacia degli esosomi delle cellule staminali mesenchimali per il trattamento del COVID-19.

Contesto 1.1. Nuova infezione da coronavirus e attuali strategie mediche La malattia da coronavirus del 2019 (COVID-19) causata dalla sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2) imperversa da oltre tre anni, causando oltre 5 milioni di morti in tutto il mondo. L'Organizzazione Mondiale della Sanità ha dichiarato la polmonite da COVID-19 una pandemia globale e un'emergenza sanitaria pubblica[1]. Sebbene l'efficienza diagnostica e l'accuratezza del trattamento siano migliorate, l'effetto complessivo del trattamento è ancora limitato. Le principali cause di morte includono polmonite grave, sindrome da distress respiratorio acuto (ARDS), edema polmonare o insufficienza multiorgano[2]. Tra questi, l'ARDS è il più grave. Studi patologici hanno dimostrato che la patogenesi dell'ARDS è principalmente dovuta alla risposta immunitaria indotta dal coronavirus che attacca le cellule alveolari; l'infiltrazione di cellule immunitarie porta alla distruzione della struttura endoteliale dei capillari polmonari, causando l'ingresso di plasma, proteine ​​plasmatiche e cellule del sangue nell'interstizio polmonare e nella cavità alveolare, formando edema polmonare. A causa della distruzione del tessuto epiteliale alveolare, una grande quantità di fluido edema entra negli alveoli, con conseguente funzione di diffusione limitata degli alveoli e incapacità di svolgere la normale funzione respiratoria. Allo stesso tempo, con l'aggravarsi del danno tissutale, le cellule rilasciano ulteriormente vari fattori infiammatori per formare una cosiddetta tempesta di citochine, che alla fine distrugge completamente la maggior parte degli alveoli polmonari e delle strutture respiratorie bronchiali, causando un grave squilibrio ventilazione-perfusione e infine la morte del paziente[3].

In questo evento di emergenza globale del coronavirus, la principale strategia medica per combattere il COVID-19 è utilizzare antibiotici e farmaci antivirali per bloccare il ciclo di replicazione del virus e sopprimere l'infiammazione dell'ospite. Questa strategia ha portato in alcuni casi a un efficace trattamento di supporto e sintomatico, anche con risultati promettenti, ma non è il trattamento definitivo per questa infezione. Ad esempio, interventi di regolazione immunitaria come tocilizumab (bloccante del recettore IL-6), adalimumab (anticorpo anti-TNF) ed eculizumab (anticorpo anti-C5) possono alleviare efficacemente i sintomi del paziente ma non possono curare la malattia fondamentalmente. In effetti, ci sono due caratteristiche principali della polmonite da COVID-19: in primo luogo, le persone con bassa immunità sono più suscettibili al COVID-19[4], e in secondo luogo, il principale organo bersaglio sono i polmoni[5]. Infatti, l'insufficienza respiratoria è stata segnalata come una delle principali cause di morte per COVID-19[6] e le autopsie hanno mostrato danni ai polmoni, reazioni essudative significative ed embolia polmonare in molti pazienti[7].

1.2. Esosomi di cellule staminali mesenchimali È stato dimostrato che le cellule staminali mesenchimali (MSC) hanno funzioni immunomodulatorie e rigenerative complete e potenti[8]. Le MSC possono combattere la morte cellulare associata alla patogenesi della broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), della fibrosi polmonare idiopatica, dell'asma, dell'ARDS e dell'ipertensione polmonare e promuovere la rigenerazione cellulare[9,10]. Gli esosomi sono uno dei principali effettori paracrini secreti dalle MSC e sono considerati candidati attraenti per la terapia alternativa delle MSC grazie alla loro biocompatibilità simile alle cellule madri e alla loro capacità di mantenere le proprietà curative[11]. In condizioni fisiologiche e patologiche, gli esosomi svolgono un ruolo chiave nella comunicazione intercellulare trasportando varie biomolecole come miRNA e proteine ​​alle cellule bersaglio[12]. A differenza dei corpi apoptotici e delle microvescicole derivate dalla superficie cellulare, gli esosomi sono prodotti attraverso la via endocitica e caricano il contenuto citoplasmatico della cellula madre. Pertanto, sono versioni mini delle cellule madri, che imitano alcune delle loro caratteristiche fisiologiche. Rispetto alle controparti cellulari, la non tossicità, la bassa immunogenicità, l'elevata stabilità, la facilità di conservazione e il potenziale per la produzione di massa come prodotti già pronti sono diversi vantaggi degli esosomi, che hanno portato alla loro espansione nelle applicazioni cliniche come nuove alternative terapeutiche. Inoltre, la funzione naturale degli esosomi consente loro di trasportare i loro componenti bioattivi di membrana e citoplasmatici dalle cellule madri alle cellule bersaglio attraverso la fusione della membrana[13]. Ci sono anche altre caratteristiche uniche, inclusa la naturale capacità di attraversare le barriere biologiche come la barriera emato-encefalica (BBB). Inoltre, la biocompatibilità è un'altra caratteristica. A causa della loro origine da fonti biologiche e dell'intrinseca capacità di targeting, gli esosomi sono stati utilizzati come vettori di componenti farmacologici in studi preclinici[14].

1.3. Meccanismo del trattamento degli esosomi derivati ​​dalle cellule staminali mesenchimali Gli esosomi derivati ​​dalle MSC ereditano proprietà immunosoppressive dalle loro cellule madri e le MSC-ev possono utilizzare vari meccanismi per bilanciare la funzione del sistema immunitario. Un meccanismo chiave è la riprogrammazione e l'alterazione del fenotipo di varie cellule immunitarie. Ad esempio, la capacità degli esosomi derivati ​​​​da MSC di promuovere la sopravvivenza dei macrofagi alveolari e di spostare il loro fenotipo dalla polarizzazione pro-infiammatoria (M1) alla polarizzazione antinfiammatoria (M2) è stata dimostrata in almeno due studi. Questi risultati suggeriscono che gli esosomi possono fungere da valide alternative alle loro cellule madri, e questa capacità è stata anche segnalata per alterare il rapporto Treg/Teff per aumentare Treg e promuovere la secrezione di citochine antinfiammatorie[15,16].

In più modelli, le MSC-ev hanno caratteristiche terapeutiche simili alle MSC, sono più facili da preparare, conservare e trasportare al capezzale ed evitano alcune limitazioni della terapia cellulare, come il rischio di embolia polmonare e formazione di tumori. Negli ultimi anni, le MSC-ev hanno ricevuto un'attenzione diffusa come biomarcatori della patogenesi e farmaci terapeutici per una varietà di malattie. Inoltre, gli esosomi secreti dalle MSC possono regolare l'immunità attraverso l'interazione con le cellule immunitarie e inibire le risposte infiammatorie attraverso le citochine[17,18]. Numerosi studi hanno dimostrato che gli esosomi secreti da MSC possono essere usati per trattare deficienze immunitarie, infiammazioni, ARDS e altre malattie polmonari[19,20], quindi gli esosomi secreti da MSC possono anche essere efficaci nel trattamento dell'infiammazione polmonare causata da COVID-19 Gli esosomi sono uno dei principali ingredienti attivi secreti dalle cellule staminali e hanno una dimensione di 30-150 nm. Dopo la nebulizzazione, gli esosomi possono raggiungere direttamente i bronchioli e gli alveoli, il che favorisce il massimo assorbimento dei farmaci[21]. Numerosi studi clinici hanno dimostrato che l'infusione endovenosa di MSC e MSC-ev per il trattamento di gravi danni polmonari causati da SARS-CoV-2 è sicura ed efficace[22] e, in caso di danno polmonare, la via di nebulizzazione fornisce un trattamento particolarmente efficace metodo di somministrazione del farmaco per mirare ai siti polmonari. Pertanto, ipotizziamo che gli esosomi secreti da MSC nebulizzati possano essere un metodo efficace per ridurre il danno polmonare da COVID-19 e promuovere il recupero.

1.4. Casi di studio clinici di esosomi derivati ​​​​da cellule staminali Recentemente, il farmaco anti-COVID-19 inalato Exo-CD24, guidato dall'esperto del centro medico israeliano Nadir Arber, che è una combinazione di esosomi e proteina CD24, ha mostrato risultati promettenti nei primi studi clinici . Il farmaco è stato in grado di curare 29 pazienti gravi su 30 entro 5 giorni dal trattamento e ha il potenziale per trattare i pazienti COVID-19 entro 3-5 giorni. Sebbene Exo-CD24 non abbia ancora superato i test di fase III, ha mostrato un grande potenziale per il futuro[23]. La FDA degli Stati Uniti ha approvato l'uso di vescicole extracellulari (EVS) per il trattamento di COVID-19 attraverso uno studio di fase I/II condotto da Direct Biologics. ExoFlo, lo SVE utilizzato, ripristina la salute e la vitalità dei pazienti riducendo l'infiammazione prolungata, promuovendo la rivascolarizzazione del tessuto danneggiato e rimodellando il tessuto cicatriziale. Sono stati avviati anche studi clinici nazionali, la ricerca clinica presso il Fifth People's Hospital della città di Wuxi, nella provincia di Jiangsu, ha confermato che le vescicole extracellulari derivate da cellule staminali mesenchimali del cordone ombelicale nebulizzate sono un trattamento sicuro e praticabile per COVID-19. Lo studio è stato pubblicato su Stem Cell Reviews and Reports nel giugno di quest'anno e ha incluso sette pazienti con diagnosi di polmonite da COVID-19, inclusi due casi gravi (pazienti 2 e 4) e cinque casi lievi (pazienti 1, 3, 5, 6, e 7). Nessuna reazione allergica acuta come gonfiore della gola o della lingua, eruzione cutanea, mancanza di respiro, vertigini, vomito o ipotensione è stata osservata in nessuno dei pazienti entro due ore dal trattamento di nebulizzazione. Non sono stati inoltre riportati eventi avversi o reazioni allergiche secondarie dopo il trattamento. Le scansioni TC del torace hanno mostrato una diminuzione della densità dei noduli del lobo polmonare e l'assorbimento delle lesioni polmonari sia nei pazienti gravi che in quelli lievi dopo il trattamento nebulizzato con vescicole extracellulari derivate da MSC[21]. È in corso una ricerca congiunta del Ruijin Hospital e del Jinyintan Hospital sul trattamento nebulizzato del COVID-19 utilizzando esosomi derivati ​​da cellule staminali mesenchimali allogeniche umane di origine adiposa (HAMSCs-Exos). Sette pazienti con COVID-19 in condizioni critiche sono stati trattati con HAMSC-Exos tramite inalazione per nebulizzazione e tutti i pazienti hanno tollerato bene il trattamento senza evidenza di eventi avversi o instabilità clinica durante o immediatamente dopo la nebulizzazione. Tutti i pazienti hanno mostrato un aumento della conta dei linfociti sierici (mediana di 1,61×10^9/L vs 1,78×10^9/L) e le lesioni polmonari sono state ridotte a vari livelli in tutti i pazienti dopo l'inalazione di aerosol HAMSC-Exos, con quattro pazienti mostrando un miglioramento significativo. I risultati preliminari suggeriscono che le lesioni polmonari dei partecipanti sono migliorate significativamente[21].

Tuttavia, la maggior parte degli studi clinici che utilizzano esosomi di cellule staminali per l'infezione da COVID-19 presentano i seguenti problemi: (a) dimensioni ridotte del campione, che rendono difficile dimostrare efficacemente i vantaggi degli esosomi di cellule staminali nel trattamento di COVID-19; (b) mancanza di un gruppo di controllo; (c) uso di metodi di produzione bidimensionali tradizionali, che rendono difficile aumentare la produzione di grandi quantità di esosomi per il trattamento clinico; e (d) mancanza di esplorazione approfondita del meccanismo per i fenomeni rilevanti. Questi problemi ostacolano il progresso nell'uso degli esosomi delle cellule staminali per il trattamento dell'infezione da COVID-19. Per affrontare questi problemi, questo progetto propone di combinare esosomi di cellule staminali mesenchimali del cordone ombelicale nebulizzati con un trattamento convenzionale per trattare pazienti COVID-19 da medi a gravi e valutarne la sicurezza e l'efficacia.