Een klinisch onderzoek naar de veiligheid en effectiviteit van mesenchymale stamcel-exosomen voor de behandeling van COVID-19.

Achtergrond 1.1. Nieuwe coronavirusinfectie en huidige medische strategieën De coronavirusziekte uit 2019 (COVID-19), veroorzaakt door het ernstige acute respiratoire syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2), woedt al meer dan drie jaar en veroorzaakt wereldwijd meer dan 5 miljoen doden. De Wereldgezondheidsorganisatie heeft COVID-19-longontsteking uitgeroepen tot een wereldwijde pandemie en een noodsituatie voor de volksgezondheid[1]. Hoewel de diagnostische efficiëntie en behandelnauwkeurigheid zijn verbeterd, is het algehele behandeleffect nog steeds beperkt. De belangrijkste doodsoorzaken zijn ernstige longontsteking, acute respiratory distress syndrome (ARDS), longoedeem of meervoudig orgaanfalen[2]. Onder hen is ARDS de ernstigste. Pathologische studies hebben aangetoond dat de pathogenese van ARDS voornamelijk te wijten is aan de immuunrespons die wordt veroorzaakt door het coronavirus dat alveolaire cellen aanvalt; infiltratie van immuuncellen leidt tot vernietiging van de pulmonale capillaire endotheliale structuur, waardoor plasma, plasma-eiwitten en bloedcellen het interstitium van de longen en de alveolaire holte binnendringen en longoedeem vormen. Door de vernietiging van het alveolaire epitheelweefsel komt een grote hoeveelheid oedeemvocht de longblaasjes binnen, wat resulteert in een beperkte diffusiefunctie van de longblaasjes en het onvermogen om de normale ademhalingsfunctie uit te oefenen. Tegelijkertijd, met de verergering van weefselbeschadiging, geven cellen verschillende ontstekingsfactoren verder vrij om een ​​zogenaamde cytokinestorm te vormen, die uiteindelijk het grootste deel van de longblaasjes en bronchiale ademhalingsstructuren volledig vernietigt, met ernstige onevenwichtigheid tussen ventilatie en perfusie en uiteindelijk de dood tot gevolg. van de patiënt[3].

In deze wereldwijde noodsituatie van het coronavirus is de belangrijkste medische strategie om COVID-19 te bestrijden het gebruik van antibiotica en antivirale middelen om de virusreplicatiecyclus te blokkeren en gastheerontsteking te onderdrukken. Deze strategie heeft in sommige gevallen geleid tot effectieve ondersteunende en symptomatische behandeling en heeft zelfs veelbelovende resultaten opgeleverd, maar het is niet de ultieme behandeling voor deze infectie. Immuunregulatie-interventies zoals tocilizumab (IL-6-receptorblokker), adalimumab (anti-TNF-antilichaam) en eculizumab (anti-C5-antilichaam) kunnen bijvoorbeeld de symptomen van de patiënt effectief verlichten, maar kunnen de ziekte niet fundamenteel genezen. In feite zijn er twee belangrijke kenmerken van COVID-19-longontsteking: ten eerste zijn mensen met een lage immuniteit vatbaarder voor COVID-19[4], en ten tweede zijn de longen het belangrijkste doelorgaan[5]. Respiratoire insufficiëntie is zelfs gemeld als een van de belangrijkste doodsoorzaken door COVID-19[6], en autopsies hebben bij veel patiënten longbeschadiging, significante exsudatieve reacties en longembolie aangetoond[7].

1.2. Exosomen van mesenchymale stamcellen Van mesenchymale stamcellen (MSC's) is aangetoond dat ze uitgebreide en krachtige immunomodulerende en regeneratieve functies hebben[8]. MSC's kunnen celdood bestrijden die verband houdt met de pathogenese van chronische obstructieve longziekte (COPD), idiopathische longfibrose, astma, ARDS en pulmonale hypertensie, en celregeneratie bevorderen [9,10]. Exosomen zijn een van de belangrijkste paracriene effectoren die worden uitgescheiden door MSC's en worden beschouwd als aantrekkelijke kandidaten voor alternatieve MSC-therapie vanwege hun biocompatibiliteit vergelijkbaar met oudercellen en hun vermogen om helende eigenschappen te behouden [11]. Onder fysiologische en pathologische omstandigheden spelen exosomen een sleutelrol in intercellulaire communicatie door verschillende biomoleculen zoals miRNA en eiwitten naar doelcellen te transporteren [12]. In tegenstelling tot apoptotische lichamen en microvesikels die zijn afgeleid van het celoppervlak, worden exosomen geproduceerd via de endocytische route en laden ze de cytoplasmatische inhoud van de oudercel. Daarom zijn het miniversies van oudercellen, die enkele van hun fysiologische kenmerken nabootsen. Vergeleken met celtegenhangers zijn de niet-toxiciteit, lage immunogeniciteit, hoge stabiliteit, opslaggemak en potentieel voor massaproductie als kant-en-klare producten verschillende voordelen van exosomen, die hebben geleid tot hun uitbreiding in klinische toepassingen als nieuwe therapeutische alternatieven. Bovendien stelt de natuurlijke functie van exosomen hen in staat om hun membraan- en cytoplasmatische bioactieve componenten van oudercellen naar doelcellen te brengen door middel van membraanfusie [13]. Er zijn ook andere unieke kenmerken, waaronder het natuurlijke vermogen om biologische barrières zoals de bloed-hersenbarrière (BBB) ​​te passeren. Bovendien is biocompatibiliteit een ander kenmerk. Vanwege hun oorsprong uit biologische bronnen en het inherente vermogen om te richten, zijn exosomen gebruikt als dragers van geneesmiddelcomponenten in preklinische studies [14].

1.3. Mechanisme van mesenchymale stamcel-afgeleide exosomen Behandeling Van MSC afgeleide exosomen erven immuunonderdrukkende eigenschappen van hun oudercellen, en MSC-evs kunnen verschillende mechanismen gebruiken om de functie van het immuunsysteem in evenwicht te brengen. Een belangrijk mechanisme is het herprogrammeren en veranderen van het fenotype van verschillende immuuncellen. Het vermogen van MSC-afgeleide exosomen om de overleving van alveolaire macrofagen te bevorderen en hun fenotype te verschuiven van pro-inflammatoire (M1) polarisatie naar ontstekingsremmende (M2) polarisatie is bijvoorbeeld aangetoond in ten minste twee onderzoeken. Deze bevindingen suggereren dat exosomen kunnen dienen als levensvatbare alternatieven voor hun oudercellen, en er is ook gemeld dat dit vermogen de Treg / Teff-verhouding verandert om Treg te verhogen en de secretie van ontstekingsremmende cytokines te bevorderen [15,16].

In meerdere modellen hebben MSC-evs vergelijkbare therapeutische kenmerken als MSC's, zijn ze gemakkelijker te bereiden, op te slaan en naar het bed te vervoeren, en vermijden ze enkele beperkingen van celtherapie, zoals het risico op longembolie en tumorvorming. In de afgelopen jaren hebben MSC-evs brede aandacht gekregen als biomarkers van pathogenese en therapeutische medicijnen voor een verscheidenheid aan ziekten. Bovendien kunnen door MSC uitgescheiden exosomen de immuniteit reguleren door interactie met immuuncellen en ontstekingsreacties remmen door cytokines [17,18]. Talrijke onderzoeken hebben aangetoond dat door MSC uitgescheiden exosomen kunnen worden gebruikt om immuundeficiënties, ontstekingen, ARDS en andere longziekten te behandelen [19,20], dus door MSC uitgescheiden exosomen kunnen ook effectief zijn bij de behandeling van longontsteking veroorzaakt door COVID-19 Exosomen zijn een van de belangrijkste actieve ingrediënten die worden uitgescheiden door stamcellen en zijn 30-150 nm groot. Na verneveling kunnen exosomen rechtstreeks de bronchiolen en longblaasjes bereiken, wat bevorderlijk is voor de maximale absorptie van geneesmiddelen [21]. Meerdere klinische onderzoeken hebben aangetoond dat intraveneuze infusie van MSC's en MSC-evs voor de behandeling van ernstige longschade veroorzaakt door SARS-CoV-2 veilig en effectief is[22], en in het geval van longletsel biedt de vernevelingsroute een bijzonder effectieve medicijnafgiftemethode om longlocaties te targeten. Daarom speculeren we dat vernevelde MSC-uitgescheiden exosomen een effectieve methode kunnen zijn om COVID-19-longschade te verminderen en herstel te bevorderen.

1.4. Klinische casestudy's van uit stamcellen afgeleide exosomen Onlangs heeft het geïnhaleerde anti-COVID-19-medicijn Exo-CD24, geleid door de Israëlische medische centrumexpert Nadir Arber, dat een combinatie is van exosomen en CD24-eiwit, veelbelovende resultaten opgeleverd in vroege klinische onderzoeken. . Het medicijn kon 29 van de 30 ernstige patiënten binnen 5 dagen na behandeling genezen en heeft het potentieel om COVID-19-patiënten binnen 3-5 dagen te behandelen. Hoewel Exo-CD24 de fase III-test nog niet heeft doorstaan, heeft het in de toekomst een groot potentieel getoond[23]. De Amerikaanse FDA heeft het gebruik van extracellulaire blaasjes (EVS) voor de behandeling van COVID-19 goedgekeurd via een fase I/II-studie uitgevoerd door Direct Biologics. ExoFlo, het gebruikte EVS, herstelt de gezondheid en vitaliteit van patiënten door aanhoudende ontstekingen te verminderen, de revascularisatie van beschadigd weefsel te bevorderen en littekenweefsel opnieuw vorm te geven. Er zijn ook binnenlandse klinische onderzoeken gestart, klinisch onderzoek in het Fifth People's Hospital van Wuxi City, provincie Jiangsu, heeft bevestigd dat vernevelde extracellulaire blaasjes van mesenchymale stamcellen uit de navelstreng een veilige en levensvatbare behandeling zijn voor COVID-19. De studie werd in juni van dit jaar gepubliceerd in Stem Cell Reviews and Reports en omvatte zeven patiënten met de diagnose COVID-19-pneumonie, waaronder twee ernstige gevallen (patiënten 2 en 4) en vijf milde gevallen (patiënten 1, 3, 5, 6, en 7). Binnen twee uur na de vernevelingsbehandeling werden bij geen van de patiënten acute allergische reacties zoals zwelling van keel of tong, huiduitslag, kortademigheid, duizeligheid, braken of hypotensie waargenomen. Er waren ook geen gemelde bijwerkingen of secundaire allergische reacties na de behandeling. CT-scans van de borst toonden een afname van de dichtheid van de longkwabknobbeltjes en de absorptie van longlaesies bij zowel ernstige als milde patiënten na vernevelde behandeling met MSC-afgeleide extracellulaire blaasjes [21]. Er wordt gezamenlijk onderzoek uitgevoerd door het Ruijin-ziekenhuis en het Jinyintan-ziekenhuis naar vernevelde COVID-19-behandeling met behulp van van vetweefsel afgeleide menselijke allogene mesenchymale stamcel-afgeleide exosomen (HAMSCs-Exos). Zeven ernstig zieke COVID-19-patiënten werden behandeld met HAMSC-Exos via verneveling, en alle patiënten verdroegen de behandeling goed zonder tekenen van bijwerkingen of klinische instabiliteit tijdens of onmiddellijk na verneveling. Alle patiënten vertoonden een toename van het aantal serumlymfocyten (mediaan van 1,61 x 10 ^ 9 / l versus 1,78 x 10 ^ 9 / l), en longlaesies waren bij alle patiënten in verschillende mate verminderd na het inademen van HAMSC-Exos-aerosolen, waarbij vier patiënten aanzienlijke verbetering laten zien. Voorlopige resultaten suggereren dat de longletsels van de deelnemers aanzienlijk waren verbeterd [21].

De meeste klinische onderzoeken met stamcel-exosomen voor COVID-19-infectie hebben echter de volgende problemen: (a) kleine steekproefomvang, waardoor het moeilijk is om de voordelen van stamcel-exosomen bij COVID-19-behandeling effectief aan te tonen; (b) ontbreken van een controlegroep; (c) gebruik van traditionele tweedimensionale productiemethoden, waardoor het moeilijk wordt om de productie van grote hoeveelheden exosomen voor klinische behandeling op te schalen; en (d) gebrek aan diepgaande verkenning van mechanismen voor relevante verschijnselen. Deze problemen belemmeren vooruitgang bij het gebruik van stamcel-exosomen voor de behandeling van COVID-19-infecties. Om deze problemen aan te pakken, stelt dit project voor om vernevelde mesenchymale stamcel-exosomen van de navelstreng te combineren met conventionele behandeling om patiënten met midden- tot ernstige COVID-19 te behandelen en de veiligheid en werkzaamheid ervan te evalueren.