间充质干细胞、免疫细胞、外泌体源头供货

间充质干细胞及其衍生的外泌体对抗新冠病毒

严重急性呼吸综合征冠状病毒 2 (SARS-CoV-2) 导致 2019 年冠状病毒病 (Covid-19) 持续大流行。治疗患有严重疾病阶段的患者需要有效的疗法。

 

间充质干细胞 (MSCs) 已在众多临床试验中进行了评估,但存在特殊运输储存条件等挑战等。MSCs 的大多数独特特性与其旁分泌活性有关,尤其是与它们的外泌体有关。

几项研究已经证明了 MSCs 衍生的外泌体 (MSC-Es) 对 Covid-19 并发症的影响。MSC-Es 可能会改善 Covid-19 的一些并发症,例如细胞因子风暴、急性呼吸窘迫综合征 (ARDS) 和急性肺损伤 (ALI)。

 

此外,这些外泌体可以作为一种适用于抗病毒治疗剂的纳米级载体进行评估。在此,作者介绍了MSCs 及其衍生的外泌体在治疗 Covid-19 中的几种潜在应用。

 

本文作者Maryam Yousefi Dehbidi等来自伊朗德黑兰卡拉兹米大学生物科学学院细胞与分子科学系,原标题Mesenchymal stem cells and their derived exosomes to combat Covid–19,编译如下:

 

Covid-19 是由严重急性呼吸系统综合症冠状病毒 2 (SARS-CoV-2) 引起的,于 2019 年 12 月在中国武汉首次报道,并迅速在全球蔓延。1由于这种病毒性疾病的高度和迅速传播,世界卫生组织 (WHO) 于 2020 年 3 月 11 日宣布此次疫情为大流行。

 

根据Worldometer实时统计数据,截至北京时间2022年3月2日6时30分,全球累计确诊新冠肺炎病例438295585例,累计死亡病例5981319例。全球单日新增确诊病例1518357例,新增死亡病例8620例。

 

病毒基因编码 16 种非结构蛋白 (NSP1 -16)、4种结构蛋白(刺突蛋白 (S)、包膜蛋白 (E)、核衣壳蛋白 (N) 和膜蛋白 (M))以及大约九种辅助蛋白。基于人群的疫苗接种策略代表了我们目前针对这种冠状病毒。随着突变的发生及其显着抑制疫苗效力的潜在能力,开发互补的抗 Covid-19 策略仍然是全球优先事项。

 

干细胞及其衍生的外泌体已被证明是修复、再生、并以最小的副作用保护人体器官免受各种身体伤害。

 

干细胞分泌组 (SCS) 已被证明具有显着的抗纤维化、抗炎、免疫调节和血管生成生物活性。外泌体是直径为 40-150 nm 的纳米级细胞外囊泡,由细胞产生它们的内部,更准确地说是在大多数真核细胞的内体隔室中。MSC 产生的外泌体具有显着的组织恢复免疫调节能力。MSC-ES 的这些特性已被认为是当前正在进行的临床试验的基础。这些 MSC-ES中的许多含有调节关键细胞功能的 microRNA (miRNA),包括细胞生长、凋亡和宿主免疫反应。 因此有人提出,MSC-ES代表了一种理想的载体,用于递送靶向抗病毒药物以治疗 Covid-19。

 

干细胞疗法

 

近年来,间充质干细胞及其治疗潜力备受关注。间充质干细胞是非特化的、多能细胞、可自我更新的细胞,并且能够分化成特定的细胞类型。间充质干细胞是一种易于获取的细胞,其来源广泛,包括骨髓、脂肪组织、肺、脐带组织、牙髓、胎盘、沃顿胶、胎肝和经血。MSC通过与宿主免疫细胞的直接相互作用或通过分泌旁分泌细胞因子间接调节免疫系统。它们的旁分泌活性是通过分泌称为分泌组的分子来进行的,其中包括转录因子、生长因子、细胞因子、趋化因子、激素、细胞外囊泡(例如外泌体)、血管生成分子、核酸和脂质介质,它们的生物学功能和特性如迁移、血管生成、归巢、代谢调节、抗炎、抗纤维化和抗细胞凋亡有助于组织再生和改善终末器官功能。

 

间充质干细胞的治疗作用

 

间充质干细胞疗法通过与免疫细胞(包括 B 和 T 细胞、树突状细胞 (DCs)、巨噬细胞、中性粒细胞和自然杀伤细胞 (NK))相互作用而具有潜在的免疫调节特性,因此引起了人们的关注。

 

例如,宿主体内的炎症因子会改变 MSCs 的特性以调节免疫系统。肺部炎症介质的释放受 MSCs 上呈现的损伤相关分子模式 (DAMP) 的差异激活调节表面。Toll 样受体 (TLRs) 被病毒 RNA (TLR3) 和病毒未甲基化 CpG-DNA (TLR9) 激活,导致大量细胞信号通路和 MSCs 激活。 

 

MSCs 可以通过下调抗-前列腺素 E2 (PGE-2) 和程序性死亡配体 1 (PD-L1) 等炎症因子。它们的旁分泌活性可以通过直接转移肺泡巨噬细胞的功能性线粒体和转换炎症表型 (M1) 来恢复肺泡巨噬细胞的代谢能力抗炎 (M2)。

 

它们还通过释放抗氧化酶来对抗与肺部炎症相关的氧化应激,例如:过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶。MSCs 治疗已显示出对病毒诱导的促炎细胞因子的显着抑制。

 

MSCs 的免疫系统稳态和免疫抑制活性取决于:

(1)调节代谢; 

(2) CD73的表达,一种具有外核苷酸酶特性的ATP酶,参与细胞增殖;

(3) 将成熟的树突状细胞 (DC) 诱导为新的 Jagged-2 依赖性调节 DC;

(4) 调节免疫细胞功能。 

 

此外,MSCs 通过表达干扰素刺激的基因如干扰素诱导的跨膜家族 (IFITM)、精胺 N1-乙酰转移酶 1(SAT1) 和干扰素 α 诱导蛋白 6 (IFI6)。

 

间充质干细胞通过增加 IL-10 和血管内皮生长因子 (VEGF) 的表达来修复和再生受损的肺组织,这对作为炎症性疾病的 ARDS 患者有益。间充质干细胞还具有治疗作用其他器官。它们可以减少脑炎并恢复大脑中的血脑屏障 (BBB)。在肠道中,它们可以调节炎症、重塑组织并促进根除感染。

 

间充质干细胞临床试验

 

由于先前在治疗血液、心脏、肾脏和肺部疾病(如 ARDS 和纤维化)方面的临床结果,MSC 已用于 Covid-19 治疗。1此外,先前在免疫介导治疗方面的研究取得了成功的结果系统性红斑狼疮 (SLE)、移植物抗宿主病 (GVHD) 和病毒感染(例如 H5N1 和 H7N9)等炎症性疾病为抗击 COVID-19.57-61 提供了希望。

 

对于 Covid-19 患者的治疗,建议所需剂量为 1-10 × 10E6 MSCs/kg 体重,平均 3 次加强剂量,确切剂量可能因患者的免疫系统和临床症状而异。在一项临床试验,观察到外周淋巴细胞和 IL-10 的数量增加,而免疫细胞过度分泌的细胞因子显着减少,治疗后症状改善,无副作用。 

 

病例研究使用人脐带间充质干细胞 (HUCMSCs) 旨在评估高剂量产前 MSCs 的安全性、可行性和耐受性。这项研究表明,注射高剂量的 MSCs 对 ARDS 患者有益,而不会发生严重的不良事件。观察到炎症生物标志物(即 IL-8、TNF-α 和 C 反应蛋白)显着减少,抗炎细胞因子(包括 IL-4 和 IL-10)水平显着增加。

 

表 1 代表临床用干细胞进行的试验用于治疗 Covid-19 患者。

间充质干细胞及其衍生的外泌体对抗新冠病毒

 

 

间充质干细胞衍生的外泌体 (MSC-E) 对抗新冠病毒 Covid-19 

 

尽管细胞疗法提供了许多优势,但仍然存在四个主要挑战;(1) 移植的 MSCs 由于对恶劣的环境条件(例如炎症)高度敏感,影响在体内的存活率低;(2) 细胞通过时有阻塞小直径肺动脉的风险;(3) 在 -80°C 的温度下储存的特殊要求。为了应对这些挑战,外泌体治疗是一种很有前景的策略,因为它具有较低的致瘤性、无继发感染传播、易于操作、简单的储存要求和可用性。

 

在多细胞生物中,大多数生理过程是通过细胞内信号传导发生的。细胞外囊泡 (EV) 是脂质双层囊泡,已被确定为信号细胞器,因为它们通过充当不同生物分子(包括 RNA、 EV 根据其生物发生和大小分为三组。(1) 外泌体;由多泡体与细胞膜融合分泌的小尺寸 EV(直径 40-150 nm);(2) 微泡;细胞膜直接出芽释放的中等大小的 EV(直径 150-1000 nm),以及(3)凋亡小体;在程序性细胞死亡 - 凋亡过程中产生的随机大小的 EV(直径 50-2000 nm)。

 

许多类型的细胞,包括免疫细胞和 MSCs 都会释放外泌体。尽管大多数外泌体无论其细胞来源如何都具有进化上保守的蛋白质组成,但每个外泌体都包含一些依赖于其来源的组织特异性蛋白质(下图1)。MSC-Es 蛋白质组包含大约 2000 种蛋白质,它们可以被分为两类。一、膜蛋白;例如 GPI 锚定蛋白和四跨膜蛋白;第二,包裹在囊泡内的可溶性蛋白质;例如热休克蛋白、伴侣蛋白、信号蛋白、细胞因子和白介素。除了蛋白质之外,mRNA 和 microRNA 是外泌体中存在的其他生物活性分子。

 

根据细胞微环境压力和条件的来源,外泌体的组成可能非常多样化。已经确定外泌体含有与分泌它们的细胞相似的货物组成,这表明 MSC-E 在功能上与 MSC 的功能一致,72 而它们具有更多与 MSC 相比,MSC-E 具有穿透血屏障、较低免疫原性、无肿瘤发生风险、大规模生产和成本更低等优点,所有这些都使 MSC-E 成为治疗 Covid-19 感染的潜在有前途的治疗方法。

 

间充质干细胞及其衍生的外泌体对抗新冠病毒

图1:MSC-E 的货物成分与其他外泌体高度相似,由蛋白质、mRNA 和 miRNA 组成。此外,MSC-Es 能够传递其他治疗剂以实现联合治疗策略。

 

间充质干细胞衍生的外泌体对新冠病毒的固有治疗作用

 

间充质干细胞衍生的外泌体(MSC-E)的治疗特性分为抗炎、免疫调节和组织再生作用,共同抑制细胞因子风暴并减少包括 ARDS、ALI 和纤维化在内的组织损伤状况。MSC-Es 通过增加抗炎细胞因子的分泌和减少外周血单个核细胞 (PBMC) 中的促炎因子来调节免疫微环境。

在存在 MSC-E 的情况下,促炎细胞因子(如 IL-1β、TNF-α 和 IL-17)显着减少,而抗炎细胞因子(如 TGF-β 和 IL-10)则显着减少。MSC-Es 治疗可减少 CD4+ T 细胞的增殖和凋亡,但增加调节性 T 细胞与效应 T 细胞的比例。这些在肺泡免疫微环境中的活动可以抑制感染引起的细胞因子风暴。

 

最近,许多研究都集中在 LPS(脂多糖)诱导的 ARDS 和 ALI 的动物模型上,以了解 MSC-E 在逆转已建立的纤维化、ARDS 和 ALI 中的机制。以前的 ALI 细胞模型表明 MSC- Es 可以通过下调核因子红细胞 2 相关因子 2 (NrF-2) 和抗氧化反应元件 (ARE) 因子来逆转 ALI。MSC-Es 还可以显着上调导致治疗 ALI 的 NF-κB 信号通路。

 

尽管 MSC-E 的作用机制尚未完全了解,但这些结果被认为与外泌体 miRNA 货物有关。miRNA 是小 RNA 的一个亚类,可以抑制翻译过程,导致 mRNA 脱帽和去腺苷酸化。In-计算机分析显示 MSC-E 中存在大量各种 miRNA 货物,其中包括 258 个与细胞因子和趋化因子相关的 miRNA,以及 266 个与细胞死亡(焦亡、凋亡和坏死)基因相关的 miRNA。中国的研究人员已经证明了Ikbkb 基因导致 IKKβ 基因表达显着下降,导致泛素特异性肽酶 (Usp) 5 下调,这是一种阻断 IKKβ 泛素化的去泛素酶。正在进行的临床试验数量有限,以评估安全性和有效性MSC-E 用于治疗 Covid-19,尽管在临床前研究中取得了可喜的结果。

 

 

Covid-19 已在全球范围内达到流行病的程度,影响到世界各地。迄今为止,尚无特定的抗病毒药物可用于控制 SARS-CoV-2 感染患者。由于大多数国家在快速疫苗接种方面效率低下和大量病例,因此开发新的治疗策略已成为解决这一紧迫临床需求的大量研究工作的重点。MSCs 及其衍生的外泌体在 Covid-19 治疗的研究中引起了广泛关注,因为它们具有再生、免疫调节和抗炎等有前景的特性。先前的研究在临床前研究中显示出前景,现在正在各种临床试验中进行研究。MSC-E 在治疗 Covid-19 和其他炎症和组织损伤疾病方面显示出显着影响。MSC-Es 已被建议作为药物递送和联合治疗的有希望的候选者,因为它们能够封装各种治疗剂、它们的纳米尺寸和低免疫原性。然而,需要对 MSCs 与 MSCs-Es 的生物分布和体内代谢命运进行更多研究。目前从实验室到临床实践的挑战包括MSCs-Es的每个制造规模制剂的质量控制、生物分布和稳定性,这些都应该在未来进行研究。

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