Badanie kliniczne dotyczące bezpieczeństwa i skuteczności egzosomów mezenchymalnych komórek macierzystych w leczeniu COVID-19.

Tło 1.1. Nowa infekcja koronawirusem i aktualne strategie medyczne Choroba wywołana przez koronawirusa 2019 (COVID-19) wywołana przez koronawirusa zespołu ostrej niewydolności oddechowej 2 (SARS-CoV-2) szaleje od ponad trzech lat, powodując ponad 5 milionów zgonów na całym świecie. Światowa Organizacja Zdrowia ogłosiła zapalenie płuc wywołane przez COVID-19 globalną pandemią i stanem zagrożenia zdrowia publicznego[1]. Chociaż poprawiła się skuteczność diagnostyczna i dokładność leczenia, ogólny efekt leczenia jest nadal ograniczony. Do głównych przyczyn zgonów należą ciężkie zapalenie płuc, zespół ostrej niewydolności oddechowej (ARDS), obrzęk płuc lub niewydolność wielonarządowa[2]. Wśród nich ARDS jest najpoważniejszy. Badania patologiczne wykazały, że patogeneza ARDS wynika głównie z odpowiedzi immunologicznej indukowanej przez koronawirusa atakującego komórki pęcherzyków płucnych; naciek komórek odpornościowych prowadzi do zniszczenia struktury śródbłonka naczyń włosowatych płuc, powodując przedostanie się osocza, białek osocza i komórek krwi do śródmiąższu płuc i jamy pęcherzykowej, tworząc obrzęk płuc. Z powodu zniszczenia tkanki nabłonka pęcherzyków płucnych do pęcherzyków dostaje się duża ilość płynu obrzękowego, co powoduje ograniczenie funkcji dyfuzyjnej pęcherzyków płucnych i niezdolność do wykonywania normalnej czynności oddechowej. Jednocześnie, wraz z nasileniem uszkodzenia tkanek, komórki dalej uwalniają różne czynniki zapalne, tworząc tak zwaną burzę cytokinową, która ostatecznie całkowicie niszczy większość pęcherzyków płucnych i struktur oddechowych oskrzeli, powodując poważne zaburzenia równowagi wentylacyjno-perfuzyjnej i ostatecznie śmierć pacjenta[3].

W tym globalnym nagłym zdarzeniu związanym z koronawirusem główną strategią medyczną w walce z COVID-19 jest stosowanie antybiotyków i leków przeciwwirusowych w celu zablokowania cyklu replikacji wirusa i stłumienia stanu zapalnego gospodarza. Ta strategia doprowadziła w niektórych przypadkach do skutecznego leczenia podtrzymującego i objawowego, dając nawet obiecujące wyniki, ale nie jest to ostateczne leczenie tej infekcji. Na przykład interwencje regulujące układ odpornościowy, takie jak tocilizumab (bloker receptora IL-6), adalimumab (przeciwciało anty-TNF) i ekulizumab (przeciwciało anty-C5) mogą skutecznie złagodzić objawy pacjenta, ale nie mogą całkowicie wyleczyć choroby. W rzeczywistości istnieją dwie główne cechy zapalenia płuc wywołanego przez COVID-19: po pierwsze, osoby z niską odpornością są bardziej podatne na COVID-19[4], a po drugie, głównym narządem docelowym są płuca[5]. W rzeczywistości niewydolność oddechowa została opisana jako jedna z głównych przyczyn śmierci z powodu COVID-19[6], a sekcje zwłok wykazały uszkodzenie płuc, znaczne reakcje wysiękowe i zatorowość płucną u wielu pacjentów[7].

1.2. Egzosomy mezenchymalnych komórek macierzystych Wykazano, że mezenchymalne komórki macierzyste (MSC) mają wszechstronne i silne funkcje immunomodulacyjne i regeneracyjne[8]. MSC mogą zwalczać śmierć komórek związaną z patogenezą przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP), idiopatycznego zwłóknienia płuc, astmy, ARDS i nadciśnienia płucnego oraz promować regenerację komórek [9,10]. Egzosomy są jednymi z kluczowych efektorów parakrynnych wydzielanych przez MSC i są uważane za atrakcyjnych kandydatów do alternatywnej terapii MSC ze względu na ich biokompatybilność podobną do komórek macierzystych oraz zdolność do zachowania właściwości leczniczych[11]. W warunkach fizjologicznych i patologicznych egzosomy odgrywają kluczową rolę w komunikacji międzykomórkowej poprzez transport różnych biomolekuł, takich jak miRNA i białka, do komórek docelowych[12]. W przeciwieństwie do ciał apoptotycznych i mikropęcherzyków pochodzących z powierzchni komórki, egzosomy są wytwarzane przez szlak endocytarny i ładują zawartość cytoplazmy komórki macierzystej. Dlatego są to mini wersje komórek macierzystych, naśladujące niektóre z ich cech fizjologicznych. W porównaniu z odpowiednikami komórek, nietoksyczność, niska immunogenność, wysoka stabilność, łatwość przechowywania i potencjał do masowej produkcji jako gotowych produktów to kilka zalet egzosomów, które doprowadziły do ​​ich ekspansji w zastosowaniach klinicznych jako nowe alternatywy terapeutyczne. Ponadto naturalna funkcja egzosomów umożliwia im dostarczanie bioaktywnych składników błonowych i cytoplazmatycznych z komórek macierzystych do komórek docelowych poprzez fuzję błon [13]. Istnieją również inne unikalne cechy, w tym naturalna zdolność do przekraczania barier biologicznych, takich jak bariera krew-mózg (BBB). Ponadto biokompatybilność jest kolejną cechą. Ze względu na swoje pochodzenie ze źródeł biologicznych i wrodzoną zdolność celowania, egzosomy były wykorzystywane jako nośniki składników leków w badaniach przedklinicznych[14].

1.3. Mechanizm leczenia egzosomów pochodzących z mezenchymalnych komórek macierzystych Egzosomy pochodzące z MSC dziedziczą właściwości immunosupresyjne od swoich komórek macierzystych, a komórki MSC-ev mogą wykorzystywać różne mechanizmy do równoważenia funkcji układu odpornościowego. Jednym z kluczowych mechanizmów jest przeprogramowanie i zmiana fenotypu różnych komórek odpornościowych. Na przykład zdolność egzosomów pochodzących z MSC do promowania przeżycia makrofagów pęcherzykowych i zmiany ich fenotypu z polaryzacji prozapalnej (M1) do polaryzacji przeciwzapalnej (M2) wykazano w co najmniej dwóch badaniach. Odkrycia te sugerują, że egzosomy mogą służyć jako realne alternatywy dla ich komórek macierzystych, a zdolność ta może również zmieniać stosunek Treg / Teff w celu zwiększenia Treg i promowania wydzielania cytokin przeciwzapalnych [15,16].

W wielu modelach MSC-ev mają podobne właściwości terapeutyczne do MSC, są łatwiejsze do przygotowania, przechowywania i transportu do łóżka, a także pozwalają uniknąć pewnych ograniczeń terapii komórkowej, takich jak ryzyko zatorowości płucnej i powstawania guzów. W ostatnich latach MSC-ev zyskały szerokie zainteresowanie jako biomarkery patogenezy i leki terapeutyczne dla różnych chorób. Ponadto egzosomy wydzielane przez MSC mogą regulować odporność poprzez interakcje z komórkami odpornościowymi i hamować reakcje zapalne poprzez cytokiny [17,18]. Liczne badania wykazały, że egzosomy wydzielane przez MSC mogą być stosowane w leczeniu niedoborów odporności, stanów zapalnych, ARDS i innych chorób płuc [19,20], więc egzosomy wydzielane przez MSC mogą być również skuteczne w leczeniu zapalenia płuc wywołanego przez COVID-19 .Egzosomy są jednym z głównych składników aktywnych wydzielanych przez komórki macierzyste i mają wielkość 30-150 nm. Po nebulizacji egzosomy mogą bezpośrednio dotrzeć do oskrzelików i pęcherzyków płucnych, co sprzyja maksymalnemu wchłanianiu leków[21]. Liczne badania kliniczne wykazały, że dożylna infuzja MSC i MSC-ev w leczeniu ciężkiego uszkodzenia płuc spowodowanego przez SARS-CoV-2 jest bezpieczna i skuteczna[22], a w przypadku uszkodzenia płuc droga nebulizacji zapewnia szczególnie skuteczną metodę dostarczania leku do docelowych miejsc w płucach. Dlatego spekulujemy, że nebulizowane egzosomy wydzielane przez MSC mogą być skuteczną metodą zmniejszania uszkodzeń płuc COVID-19 i promowania powrotu do zdrowia.

1.4. Kliniczne studia przypadków egzosomów pochodzących z komórek macierzystych Niedawno wziewny lek przeciw COVID-19 Exo-CD24, kierowany przez eksperta z izraelskiego centrum medycznego Nadira Arbera, który jest połączeniem egzosomów i białka CD24, wykazał obiecujące wyniki we wczesnych badaniach klinicznych . Lek był w stanie wyleczyć 29 z 30 ciężkich pacjentów w ciągu 5 dni leczenia i może leczyć pacjentów z COVID-19 w ciągu 3-5 dni. Chociaż Exo-CD24 nie przeszedł jeszcze testów fazy III, wykazuje ogromny potencjał w przyszłości[23]. Amerykańska FDA zatwierdziła stosowanie pęcherzyków zewnątrzkomórkowych (EVS) w leczeniu COVID-19 w badaniu fazy I/II przeprowadzonym przez Direct Biologics. Zastosowany EVS ExoFlo przywraca zdrowie i witalność pacjentów poprzez zmniejszenie utrzymującego się stanu zapalnego, wspomaganie rewaskularyzacji uszkodzonej tkanki i zmianę kształtu tkanki bliznowatej. Rozpoczęto również krajowe badania kliniczne, badania kliniczne w Piątym Szpitalu Ludowym w mieście Wuxi w prowincji Jiangsu potwierdziły, że nebulizowane pęcherzyki zewnątrzkomórkowe pochodzące z mezenchymalnych komórek macierzystych pępowiny są bezpiecznym i realnym sposobem leczenia COVID-19. Badanie zostało opublikowane w Stem Cell Review and Reports w czerwcu tego roku i obejmowało siedmiu pacjentów, u których zdiagnozowano zapalenie płuc wywołane przez COVID-19, w tym dwa ciężkie przypadki (pacjenci 2 i 4) oraz pięć przypadków łagodnych (pacjenci 1, 3, 5, 6, i 7). U żadnego z pacjentów w ciągu dwóch godzin po zabiegu nebulizacji nie zaobserwowano ostrych reakcji alergicznych, takich jak obrzęk gardła lub języka, wysypka, duszność, zawroty głowy, wymioty lub niedociśnienie. Nie odnotowano również żadnych działań niepożądanych ani wtórnych reakcji alergicznych po leczeniu. Tomografia komputerowa klatki piersiowej wykazała zmniejszenie gęstości guzków w płacie płucnym i wchłanianie zmian w płucach zarówno u pacjentów z ciężkimi, jak i łagodnymi objawami po zastosowaniu nebulizacji pęcherzykami zewnątrzkomórkowymi pochodzącymi z MSC [21]. Wspólne badania Ruijin Hospital i Jinyintan Hospital są prowadzone nad nebulizacją leczenia COVID-19 przy użyciu pochodzących z tkanki tłuszczowej egzosomów pochodzących z ludzkich allogenicznych mezenchymalnych komórek macierzystych (HAMSC-Exos). Siedmiu krytycznie chorych pacjentów z COVID-19 leczono HAMSC-Exos poprzez inhalację nebulizacyjną, a wszyscy pacjenci dobrze tolerowali leczenie bez objawów niepożądanych lub niestabilności klinicznej podczas lub bezpośrednio po nebulizacji. Wszyscy pacjenci wykazywali wzrost liczby limfocytów w surowicy (mediana 1,61×10^9/l vs 1,78×10^9/l), a zmiany w płucach zmniejszyły się w różnym stopniu u wszystkich pacjentów po inhalacji aerozoli HAMSC-Exos, u czterech pacjentów wykazując znaczną poprawę. Wstępne wyniki sugerują, że urazy płuc uczestników uległy znacznej poprawie[21].

Jednak większość badań klinicznych z wykorzystaniem egzosomów komórek macierzystych w zakażeniu COVID-19 wiąże się z następującymi problemami: (a) mały rozmiar próby, co utrudnia skuteczne wykazanie zalet egzosomów komórek macierzystych w leczeniu COVID-19; (b) brak grupy kontrolnej; c) stosowanie tradycyjnych dwuwymiarowych metod produkcji utrudniających zwiększenie skali produkcji dużych ilości egzosomów do leczenia klinicznego; oraz (d) brak dogłębnej eksploracji mechanizmów odpowiednich zjawisk. Problemy te utrudniają postęp w wykorzystaniu egzosomów komórek macierzystych do leczenia infekcji COVID-19. Aby rozwiązać te problemy, w ramach tego projektu proponuje się połączenie nebulizacji egzosomów mezenchymalnych komórek macierzystych pępowiny z konwencjonalnym leczeniem w celu leczenia pacjentów z COVID-19 o średnim i ciężkim przebiegu oraz oceny jego bezpieczeństwa i skuteczności.