En klinisk studie om säkerhet och effektivitet hos mesenkymala stamcellsexosomer för behandling av covid-19.

Bakgrund 1.1. Ny coronavirusinfektion och nuvarande medicinska strategier 2019 års coronavirussjukdom (COVID-19) orsakad av allvarligt akut respiratoriskt syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) har rasat i över tre år och orsakat mer än 5 miljoner dödsfall över hela världen. Världshälsoorganisationen har förklarat covid-19-lunginflammation som en global pandemi och en nödsituation för folkhälsan[1]. Även om diagnostisk effektivitet och behandlingsnoggrannhet har förbättrats, är den totala behandlingseffekten fortfarande begränsad. De främsta dödsorsakerna inkluderar svår lunginflammation, akut andnödsyndrom (ARDS), lungödem eller multipel organsvikt[2]. Bland dem är ARDS den allvarligaste. Patologiska studier har visat att patogenesen av ARDS främst beror på immunsvaret som induceras av att coronaviruset angriper alveolära celler; immuncellsinfiltration leder till förstörelse av den lungkapillära endotelstrukturen, vilket gör att plasma, plasmaproteiner och blodkroppar kommer in i lunginterstitium och alveolarhålan och bildar lungödem. På grund av förstörelsen av den alveolära epitelvävnaden kommer en stor mängd ödemvätska in i alveolerna, vilket resulterar i begränsad diffusionsfunktion av alveolerna och oförmåga att utföra normal andningsfunktion. Samtidigt, med förvärring av vävnadsskada, frigör celler ytterligare olika inflammatoriska faktorer för att bilda en så kallad cytokinstorm, som slutligen fullständigt förstör de flesta av lungalveolerna och luftvägarnas luftvägsstrukturer, vilket orsakar allvarlig obalans mellan ventilation och perfusion och i slutändan döden av patienten[3].

I denna globala nödsituation av coronavirus är den huvudsakliga medicinska strategin för att bekämpa COVID-19 att använda antibiotika och antivirala läkemedel för att blockera virusreplikationscykeln och undertrycka värdinflammation. Denna strategi har lett till effektiv stödjande och symtomatisk behandling i vissa fall, till och med gett lovande resultat, men det är inte den ultimata behandlingen för denna infektion. Till exempel kan immunregleringsinterventioner som tocilizumab (IL-6-receptorblockerare), adalimumab (anti-TNF-antikropp) och eculizumab (anti-C5-antikropp) effektivt lindra patientens symtom men kan inte bota sjukdomen i grunden. Faktum är att det finns två huvudsakliga egenskaper hos covid-19-lunginflammation: för det första är personer med låg immunitet mer mottagliga för covid-19[4], och för det andra är huvudmålorganet lungorna[5]. Faktum är att andningssvikt har rapporterats som en av huvudorsakerna till dödsfall från covid-19[6], och obduktioner har visat lungskador, betydande exsudativa reaktioner och lungemboli hos många patienter[7].

1.2. Mesenkymala stamcellsexosomer Mesenkymala stamceller (MSC) har visat sig ha omfattande och kraftfulla immunmodulerande och regenerativa funktioner[8]. MSCs kan bekämpa celldöd i samband med patogenesen av kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL), idiopatisk lungfibros, astma, ARDS och pulmonell hypertoni, och främja cellregenerering [9,10]. Exosomer är en av de viktigaste parakrina effektorerna som utsöndras av MSC och anses vara attraktiva kandidater för alternativ MSC-terapi på grund av deras biokompatibilitet som liknar förälderceller och deras förmåga att bibehålla läkande egenskaper[11]. Under fysiologiska och patologiska förhållanden spelar exosomer en nyckelroll i intercellulär kommunikation genom att transportera olika biomolekyler som miRNA och proteiner till målceller[12]. Till skillnad från apoptotiska kroppar och mikrovesiklar härledda från cellytan, produceras exosomer genom den endocytiska vägen och laddar cytoplasmatiskt innehåll i modercellen. Därför är de miniversioner av föräldraceller, som efterliknar några av deras fysiologiska egenskaper. Jämfört med cellmotsvarigheter är icke-toxiciteten, låg immunogenicitet, hög stabilitet, enkel lagring och potential för massproduktion som färdiga produkter flera fördelar med exosomer, vilket har lett till deras expansion i kliniska tillämpningar som nya terapeutiska alternativ. Dessutom tillåter den naturliga funktionen av exosomer dem att leverera sina membran och cytoplasmatiska bioaktiva komponenter från förälderceller till målceller genom membranfusion [13]. Det finns också andra unika egenskaper, inklusive den naturliga förmågan att korsa biologiska barriärer som blod-hjärnbarriären (BBB). Dessutom är biokompatibilitet en annan egenskap. På grund av deras ursprung från biologiska källor och inneboende målförmåga, har exosomer använts som bärare av läkemedelskomponenter i prekliniska studier[14].

1.3. Behandling av mesenkymala stamcellshärledda exosomer MSC-härledda exosomer ärver immunundertryckande egenskaper från sina moderceller, och MSC-evs kan använda olika mekanismer för att balansera immunsystemets funktion. En nyckelmekanism är omprogrammering och förändring av fenotypen hos olika immunceller. Till exempel har förmågan hos MSC-härledda exosomer att främja överlevnaden av alveolära makrofager och skifta deras fenotyp från pro-inflammatorisk (M1) polarisering till anti-inflammatorisk (M2) polarisering visats i minst två studier. Dessa fynd tyder på att exosomer kan fungera som livskraftiga alternativ till deras moderceller, och denna förmåga har också rapporterats förändra Treg/Teff-förhållandet för att öka Treg och främja utsöndringen av antiinflammatoriska cytokiner[15,16].

I flera modeller har MSC-evs liknande terapeutiska egenskaper som MSC, är lättare att förbereda, lagra och transportera till sängkanten och undviker vissa begränsningar av cellterapi, såsom risken för lungemboli och tumörbildning. Under de senaste åren har MSC-evs fått stor uppmärksamhet som biomarkörer för patogenes och terapeutiska läkemedel för en mängd olika sjukdomar. Dessutom kan MSC-utsöndrade exosomer reglera immunitet genom interaktion med immunceller och hämma inflammatoriska svar genom cytokiner [17,18]. Flera studier har visat att MSC-utsöndrade exosomer kan användas för att behandla immunbrister, inflammation, ARDS och andra lungsjukdomar[19,20], så MSC-utsöndrade exosomer kan också vara effektiva vid behandling av lunginflammation orsakad av COVID-19 .Exosomer är en av de huvudsakliga aktiva ingredienserna som utsöndras av stamceller och är 30-150 nm stora. Efter nebulisering kan exosomer direkt nå bronkiolerna och alveolerna, vilket bidrar till maximal absorption av läkemedel[21]. Flera kliniska prövningar har visat att intravenös infusion av MSCs och MSC-evs för behandling av allvarliga lungskador orsakade av SARS-CoV-2 är säker och effektiv[22], och i fallet med lungskada ger nebuliseringsvägen en särskilt effektiv läkemedelstillförselmetod för att rikta in sig på lungplatser. Därför spekulerar vi i att nebuliserade MSC-utsöndrade exosomer kan vara en effektiv metod för att minska COVID-19 lungskador och främja återhämtning.

1.4. Kliniska fallstudier av stamcellshärledda exosomer Nyligen har det inhalerade anti-COVID-19-läkemedlet Exo-CD24, ledd av den israeliska medicinska centerexperten Nadir Arber, som är en kombination av exosomer och CD24-protein, visat lovande resultat i tidiga kliniska prövningar . Läkemedlet kunde bota 29 av 30 allvarliga patienter inom 5 dagar efter behandling och har potential att behandla COVID-19-patienter inom 3-5 dagar. Även om Exo-CD24 ännu inte har klarat fas III-testning, har den visat stor potential i framtiden[23]. US FDA har godkänt användningen av extracellulära vesiklar (EVS) för behandling av covid-19 genom en fas I/II-studie utförd av Direct Biologics. ExoFlo, EVS som används, återställer patienters hälsa och vitalitet genom att minska ihållande inflammation, främja revaskularisering av skadad vävnad och omforma ärrvävnad. Inhemska kliniska studier har också inletts, klinisk forskning vid det femte folksjukhuset i Wuxi City, Jiangsu-provinsen har bekräftat att nebuliserade mesenkymala stamcellshärledda extracellulära vesiklar från navelsträngen är en säker och livskraftig behandling av covid-19. Studien publicerades i Stem Cell Reviews and Reports i juni i år och inkluderade sju patienter diagnostiserade med covid-19 lunginflammation, inklusive två allvarliga fall (patienter 2 och 4) och fem milda fall (patienter 1, 3, 5, 6, och 7). Inga akuta allergiska reaktioner såsom svullnad i hals eller tunga, utslag, andnöd, yrsel, kräkningar eller hypotoni observerades hos någon av patienterna inom två timmar efter nebuliseringsbehandling. Det fanns heller inga rapporterade biverkningar eller sekundära allergiska reaktioner efter behandling. CT-skanningar av bröstkorgen visade en minskning av lunglobens noduldensitet och absorption av lungskador hos både svåra och milda patienter efter nebuliserad behandling med MSC-härledda extracellulära vesiklar[21]. Gemensam forskning av Ruijin Hospital och Jinyintan Hospital genomförs på nebuliserad COVID-19-behandling med hjälp av fetthärledda humana allogena mesenkymala stamcellshärledda exosomer (HAMSCs-Exos). Sju kritiskt sjuka COVID-19-patienter behandlades med HAMSC-Exos via nebuliseringsinhalation, och alla patienter tolererade behandlingen väl utan tecken på biverkningar eller klinisk instabilitet under eller omedelbart efter nebulisering. Alla patienter visade en ökning av antalet lymfocyter i serum (median på 1,61×10^9/L mot 1,78×10^9/L), och lungskador reducerades i varierande grad hos alla patienter efter inhalation av HAMSC-Exos aerosoler, med fyra patienter visar betydande förbättringar. Preliminära resultat tyder på att deltagarnas lungskador förbättrades signifikant[21].

De flesta kliniska prövningar med stamcellsexosomer för covid-19-infektion har dock följande problem: (a) liten provstorlek, vilket gör det svårt att effektivt demonstrera fördelarna med stamcellsexosomer vid covid-19-behandling; (b) avsaknad av en kontrollgrupp; (c) Användning av traditionella tvådimensionella produktionsmetoder, vilket gör det svårt att skala upp produktionen av stora mängder exosomer för klinisk behandling. och (d) brist på djupgående mekanismutforskning för relevanta fenomen. Dessa problem hindrar framsteg i användningen av stamcellsexosomer för covid-19-infektionsbehandling. För att ta itu med dessa problem föreslår detta projekt att man kombinerar nebuliserade mesenkymala stamcellsexosomer från navelsträngen med konventionell behandling för att behandla medelsvåra till patienter med covid-19 och utvärdera dess säkerhet och effektivitet.