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  • 间充质干细胞的细胞疗法的全球趋势简要概述

    1970-01-01 08:00来源:人参果细胞网 作者:

    概述:人间充质干细胞(MSCs),也称为间充质基质细胞或药用信号细胞,是再生医学的重要成体干细胞,主要是由于它们的再生特性,如自我更新、分泌营养因子和诱导能力。间充质细胞谱系。MSC还具有调节免疫系统的归巢和营养特性,影响受损组织周围的微环境并增强组织修复,从而为基于细胞的疗法提供广阔的前景。

    因此,MSCs成为临床试验中广泛使用的成体干细胞也就不足为奇了。为了更好地了解MSCs在临床应用中的当前应用,我们对全球进行的MSCs临床试验报告数据进行了全面审查。

    我们总结了MSCs的生物学效应和作用机制,阐明了最近的临床试验阶段和发现,强调了MSCs在几种代表性疾病中的治疗作用,包括神经系统疾病、肌肉骨骼疾病。最后,我们还强调了许多临床试验面临的挑战,并提出了潜在的解决方案,以简化MSC在常规临床应用和再生医学中的使用。

    图形概要

    间充质干细胞的生物学和再生特性

    间充质干细胞命名简史

    MSC有多种命名法,所有命名法都具有相同的含义。每一个都表明一种能够产生基质细胞谱系的多能中胚层细胞亚型。

    这些命名法包括ArnoldCaplan在1970年代与胚胎鸡肢芽中胚层细胞(ECLBMC)密切相关的MesodermalStemCells、1988年Owen定义的MarrowStromalCells、Arnold定义的Mesenchymalstemcells(MSCs)Caplan于1991年、多能基质细胞于2001年、ISCT的一组科学家于2005年定义的间充质基质细胞以及ArnoldCaplan于2017年定义的药物信号细胞。

    将间充质干细胞(MSC)的名称更改为药物信号转导细胞的呼吁源于对作用机制的更好理解。在胚胎和胎儿阶段,MSCs来源于中胚层,可以产生骨骼组织,如软骨、骨骼、肌腱、韧带、骨髓中的基质细胞和结缔组织。在成人组织中,大量研究证实了组织驻留MSC的再生能力,这些研究表明这些细胞可以在体外进一步分化为基质细胞,例如脂肪细胞、软骨细胞、成肌细胞和成骨细胞。然而,在大多数基于MSC的细胞疗法中,MSC通过分泌营养因子而不是分化成新的细胞类型来促进组织修复和再生。DanielBFSaris及其同事支持Caplan将MSCs名称更改为MedicinalSignalingCells的呼吁。

    尽管在改进MSC的命名法方面做出了所有努力,但科学界仍然主要使用间充质干细胞作为MSC。2017年至2021年间(根据PubMed,2021年11月),使用“间充质干细胞”名称发表的科学出版物超过27,000篇,而以“间充质基质细胞”发表的只有4,000篇,以“医学信号细胞”发表的有29篇”。由于几乎所有已注册的临床试验都是基于“间充质基质细胞”或“间充质干细胞”,因此基于MSC的应用摘要均使用这两个术语。

    间充质干细胞的来源

    MSC的一大优势是其广泛的可用性。据报道,MSCs是从胚胎、产前、胎儿和成人组织中分离出来的,并且可以在特定的培养条件下产生多个谱系。出生后分离的MSC的主要来源是来自脐带和胎盘组织的细胞。来自成人组织的MCS来源主要是骨髓和脂肪组织(图1)。

    图1:间充质干细胞的来源和四个重点领域的示意图。

    与免疫细胞一起,从各种组织中分离出的MSC显示出免疫调节功能。MSC的异质性、单细胞RNA测序的应用和基因编辑是用作破译MSC独特性的先进技术的三个概念证明(中间和右边)。细胞培养、扩增和生物样本库是建立良好实验室规范以进一步用于临床实践的标准程序(左)。

    20年前,骨髓来源的MSCs(BM-MSCs)被用作最常见的来源,然而,脐带来源的MSCs(UC-MSCs)和脂肪组织来源的MSCs(AT-MSCs)也得到了广泛的探索。根据ClinicalTrials.gov上的注册研究,所有这三种类型的MSC都经过了广泛测试(图2)。

    图2:基于注册间充质干细胞的临床试验生长和细胞来源概述。

    A从1995年首次使用到2020年,在ClinicalTrials.gov上每年注册的基于间充质干细胞的临床试验的线图。B基于所用主要来源的临床试验数量饼图:BM-MSC、UC-MSC、AT-干细胞。476项临床试验未公开MSCs的来源,或细胞来源被命名为同种异体(61)。其他指来源于胎盘、牙髓、羊膜间充质干细胞等组织的细胞。

    与UC-MSCs相比,从患者体内自体采集BM-MSCs和AT-MSCs相对容易。然而,必须考虑重要因素,如患者的健康状况、年龄、性别、体细胞突变,以及分离BM-MSC和AT-MSC的相对侵入性程序的后果。来自牙髓和其他来源的UC-MSC、AT-MSC、MSC的低温保存在发达国家已被商业开发(图1,右)。

    间充质干细胞的作用机制

    最初,人们认为MSCs的治疗效果归因于它们在靶组织中迁移和移植的归巢能力。然而,后来的大量研究表明,MSC具有生物学和再生作用,主要是由于它们分泌的营养(再生)因子介导细胞间通讯、调节细胞增殖/分化和抗炎特性。通过产生细胞外囊泡(EV)、细胞因子和生长因子,MSC已显示出调节适应性和先天性免疫系统反应的卓越潜力。这些发现得到体外支持,和体内实验,以及显示免疫细胞和MSC之间相互作用的复杂网络的临床数据(图1,左)。

    MSC的免疫调节功能是通过分泌的旁分泌因子实现的,例如β成纤维细胞生长因子(bFGF)、胰岛素样生长因子1(IGF-1)、血管内皮生长因子(VEGF)、表皮生长因子(EGF))、金属蛋白酶-1(TIMP-1)、颗粒体前体和脑源性神经营养因子(BDNF)的组织抑制剂(另见综述),或通过与各种免疫细胞的直接细胞间通讯,如作为T细胞、B细胞、自然杀伤(NK)细胞、巨噬细胞、单核细胞、树突状细胞(DC)和中性粒细胞,刺激或抑制免疫反应。

    MSC还具有称为“免疫系统的传感器和开关”的特定功能。该功能控制精确的开关,以在免疫系统未激活时促进炎症或在免疫系统过度激活时抑制炎症。MSC与免疫系统之间的持续相互作用是平衡炎症反应和维持组织稳态的关键。MSCs与免疫细胞之间的几种协同通讯在MSCs的临床应用中发挥着重要作用。越来越多的证据表明,间充质干细胞在先天免疫和适应性免疫中都发挥着重要作用。

    最近,多项临床前和临床试验表明,尽管MSC和调节性T细胞(Treg)是两种不同的细胞类型,但它们具有共同的特性,例如抑制或调节有害免疫反应,因此这两种协同细胞类型是最近专注于转化研究,尤其是炎症性疾病。

    几项临床研究还报道,在肝病、骨关节炎、肾病、克罗恩病、系统性红斑狼疮、2型糖尿病和慢性移植物抗宿主病等疾病具有临床应用价值。Wang及其同事通过静脉注射同种异体UC-MSC治疗了30名系统性红斑狼疮患者,并报告Tregs百分比显着升高。需要强调的是,虽然有针对MSCs和Tregs的临床试验,但MSCs/Treg串扰的机制仍未得到很好的理解。需要更多随机、安慰剂对照的临床研究来确定MSCs给药可以诱导Treg分化和扩增的条件。

    间充质干细胞分泌蛋白组(营养因子)

    MSCs可以分泌生物活性分子,如生长因子、趋化因子、细胞因子、细胞粘附分子、白细胞介素、激素、细胞外囊泡、脂质、蛋白质、microRNA和不同的DNA材料,以重塑组织微环境。这些营养因子通过调节免疫系统、抑制细胞死亡和纤维化、刺激血管形成、促进组织重塑和修复、促进伤口愈合而具有促再生作用。

    越来越多的研究表明,MSC的许多治疗作用可能是EV旁分泌因子分泌的结果,而不是细胞植入和对损伤部位的反应。MSC-EVs不能自我复制,因此成为有吸引力的无细胞和更安全的治疗来源,因为不受控制的细胞分裂和被其他细胞污染的风险被阻止了。

    MSC-EVs已经在多项肺修复和再生临床试验中进行了测试(临床试验编号:NCT04313647、NCT04276987、NCT03857841)、软骨(NCT04223622)、脑(NCT03384433)、皮肤(NCT04173650)、1型糖尿病(NCT02138331)、难治性分子孔(NCT03437759)、急性缺血性中风(NCT03384433)和肾损伤(NCT04700631)。

    基于全球间充质干细胞的临床试验概述

    间充质干细胞研究全球趋势

    对过去三十年使用MSC进行的临床试验的分析全面概述了涉及这种有前途的细胞类型的临床试验的实际数量和内容。

    根据ClinicalTrials.gov,截至我们的搜索日期:2021年7月14日,使用预定义标准“间充质干细胞”注册了1014项研究。自1995年首次报告以来,注册临床试验显着增加。在第一个十年(从1995年到2005年),只有9项注册临床试验。从2006年到2015年,全球临床试验增加了500项,2016年到2022年报告的新条目数量几乎相同,其中53项试验注册于2021年开始,2项试验于2022年开始(图2),左边)。值得一提的是,2020年临床试验数量迅速增加。

    接下来,我们探索了表1中显示的使用MSC的临床试验的全球分布。总体而言,中国进行了294项临床试验,美国216项,韩国78项,西班牙70项,伊朗39项,法国29项,印度尼西亚21项,约旦20项和其他一些国家的临床试验注册在临床试验数据库中。

    国家所有临床研究百分比介入性观察性的中国29428.50%2895个美国21620.90%19211韩国787.60%708个西班牙706.80%691个伊朗393.80%390法国292.80%281个印度尼西亚212.00%210约旦201.90%200巴西181.70%180意大利161.50%133个印度161.50%160德国151.50%132个埃及151.50%141个火鸡141.40%131个波兰131.30%130白俄罗斯131.30%121个俄罗斯121.20%120荷兰111.10%110丹麦111.10%110加拿大101.00%91个英国90.90%90马来西亚90.90%90巴基斯坦8个0.80%8个0以色列8个0.80%8个0越南8个0.80%8个0捷克共和国5个0.50%5个0哥伦比亚5个0.50%4个1个澳大利亚4个0.40%4个0挪威4个0.40%4个0智利4个0.40%4个0希腊4个0.40%4个0巴拿马4个0.40%4个0墨西哥4个0.40%4个0日本4个0.40%4个0奥地利3个0.30%3个0瑞士3个0.30%3个0多巴哥2个0.20%2个0哈萨克斯坦2个0.20%2个0泰国2个0.20%1个1个阿拉伯联合酋长国1个0.10%1个0新西兰1个0.10%1个0安道尔1个0.10%1个0厄瓜多尔1个0.10%1个0黎巴嫩1个0.10%1个0孟加拉国1个0.10%1个0新加坡1个0.10%1个0爱尔兰1个0.10%1个0斯洛文尼亚1个0.10%1个0开曼群岛1个0.10%1个0全部的103310098337表1基于国家的干预和观察性临床试验的数量。

    其中许多临床试验是在不同国家的不同中心之间进行的,强调了国际合作的重要性和纳入更多不同的人群。以介入研究为主,中国研究组注册的研究有289项,其次是美国(192项)、韩国(70项)、西班牙(69项)、伊朗(39项)等国家,如表1所示。对于观察性研究,美国11项,韩国8项,中国5项,意大利3项,德国2项,白俄罗斯、加拿大、哥伦比亚、埃及、法国、西班牙、土耳其和泰国1项。

    大多数在中国进行的研究都是介入性的,这表明MSCs细胞在临床实践中的使用比iPSCs等其他细胞产品要多,后者的临床研究要少得多,而且主要是观察性的。

    在所有注册的临床试验中,28项为早期I期,250项为I期,341项为I/II期研究,183项为II期研究,255项为II/III期研究,31项为III期研究,以及4项研究作为IV期临床试验(图3,左)。

    在临床试验状态方面,经过259项状态不明的研究和204项招募,完成了300多项临床试验(图3)。还有大量研究终止(29)或暂停(14),但没有对这些决定的原因作出解释。在所有这些注册临床试验中,共有55,733名注册参与者,其中18,215人是在中国进行的临床试验招募的,其次是美国(15,411人)、韩国(2,518人)、西班牙(2,348人)和其他国家(图4)。

    图3:注册的基于MSC的临床试验阶段和状态概述。

    甲:根据调查阶段的临床试验饼图分布。乙:根据研究状态对临床试验进行条形印迹。值得注意的是,大量临床试验缺乏进展状态的更新。

    图4:根据国家/地区的基于MSC的临床试验的注册参与者人数概览。

    间充质干细胞的移植途径

    MSC临床试验中使用了几种给药途径(图5A)。静脉、皮下、腹腔注射为全身途径,适用于发生于全身的疾病。其他管理途径是针对更具体的疾病状况的本地交付。

    例如,表面应用主要用于风险最低的皮肤科领域。心内注射多用于心血管疾病,关节内注射多用于膝关节损伤和骨关节炎。这两种给药方法需要精确和细心。对于大多数试验,MSCs在病变部位给药,除非采用全身方法。骨骼或软骨等致密组织需要更复杂的程序。我们发现数百项临床试验使用静脉输液。

    Lalu及其同事提供的一项系统评价对1000多名患者进行了全面的荟萃分析概述,证实MSCs给药与急性炎症相关毒性、器官系统并发症和衰竭、感染、恶性肿瘤或死亡之间没有生物学联系,证实静脉给药安全可靠。

    图5:基于MSC的临床试验的管理和目标疾病概述。

    A:决定给药(给药)决策的四个关键因素是给药剂量、给药频率、给药间隔和悬浮方法。突出显示了这些临床试验针对的六种给药途径和器官。B:这些注册临床试验针对的疾病类型概述。

    还有几种技术可以将MSC直接输送到器官和组织的特定区域。例如,MSC的递送已被证明可以通过在视觉控制下直接注射器注射到心室来实现,这通常由特定的导管递送NOGA系统引导,这被证明是微创的。

    剂量、给药频率、间隔和悬浮液是MSC给药的重要参数。许多临床试验中报告的剂量因注射途径而异。MSC剂量通常由患者的状况和治疗特性决定。在MSC临床试验中,剂量频率、间隔和剂量差异很大。剂量通常以细胞/公斤体重来描述。目前我们无法定义确切的标准,因为有太多不同的疾病和病症需要针对每种疾病采取特定和精确的方法和相关决策。

    还记录了剂量将从最低剂量开始,如果没有严重的不良副作用,则逐渐增加。许多早期MSC试验仅给予一剂,以实现简单并降低成本。另一方面,一些慢性适应症如骨关节炎和慢性肝功能衰竭需要多次给药才能确保有效治疗。

    单细胞悬浮液的管理是另一个必须考虑的重要方面。Henry及其同事对17名慢性缺血性心肌病患者进行了心肌内脂肪来源的MSCs注射,其中2名患者出现心力衰竭,但其原因与手术没有直接关系。该研究没有提供证据表明在给药前是否对细胞进行了过滤以确保注射的细胞处于单细胞悬浮液中。当注射的细胞不在单细胞悬浮液中时,可能会发生血栓形成和栓塞并发症,特别是如果它们形成细胞团块,这在心肌内注射时特别危险。

    静脉注射(iv)是临床治疗中最常用的途径。必须根据受伤区域、受伤器官和局部血管系统网络仔细评估和选择细胞移植的最佳方法。仔细阅读临床前数据非常重要,因为目前还没有足够的临床试验来比较不同途径的疗效和安全性。

    总之,在选择最佳的MSC移植剂量和给药方法之前,有必要在临床前研究中进行评估,并全面评估患者的状况、疾病进展、治疗方案和潜在的途径风险。

    质量控制

    高质量的MSCs对于确保临床试验的安全性和有效性至关重要。了解每个衍生的MSC系的分子和细胞机制,具有适当和完整的临床试验文件以及所有重要因素,包括仔细选择患者、治疗方案和程序、时间、剂量、途径,如果决定对所选的多次给药细胞。还必须注意的是,源自自体骨髓的MSC具有高度异质性,并且由于年龄、性别和一般健康状况而因患者而异。

    规章制度

    在交付临床使用的细胞产品之前,间充质干细胞需要根据良好生产规范(GMP)进行从实验室到床边的处理,这主要被称为生物制造或生物银行,以及生产高级治疗药物产品(ATMP)。这些过程包括使用各种协议的细胞培养、扩增和生物库,这些协议必须向主要监管机构成功注册,其中必须包含在临床实践中使用基于细胞的医药产品的批准监管纲要。

    监管内容包括间充质干细胞产品的药理学、免疫学和代谢活性;如何使用细胞在受体中的功能,间充质干细胞是否需要体外扩增以达到最佳剂量,以及如何考虑在给药前对细胞进行最小的操作。细胞基产品的开发与药物管理产品几乎相同,包括从非临床到临床研究的步骤,以及由不同授权机构监管的市场授权程序。

    间充质干细胞疗法的临床研究

    基于MSC的细胞疗法被广泛应用于多种疾病的临床试验中(图5B),主要应用于目前疗法无法完全治愈的领域。如图5B所示,近两年MSC临床试验的数量迅速增加。

    尽管这些试验中有少数提供了已发表的结果,但可以肯定的是,间充质干细胞疗法是一种安全有效的治疗方法。如图5B所示其中,MSC治疗临床试验数量最多的健康问题是肌肉骨骼疾病,全球共有212项试验。其次是神经病学和呼吸病学,临床试验数量分别为163个和117个。MSC临床试验涉及的其他医学专业包括免疫学、心脏病学、肝病学。

    有91项临床试验无法归类于特定医学专业,例如汗腺疾病和败血症。近年来,MSC疗法一直是医学界的热点,尤其是在再生医学领域。再生和抗炎功能是对患者的好处。在这里,我们描述了肌肉骨骼、神经系统疾病的几种成功的MSCs临床结果。

    肌肉骨骼疾病

    一项全球疾病负担研究显示,2020年全球有超过17.1亿人患有肌肉骨骼疾病。基于MSC的细胞疗法可以为老年人或受伤患者提供骨骼和软骨再生。此外,MSCs的免疫调节能力可以缓解与骨退化相关的炎症症状。MSC试验治疗的最常见的肌肉骨骼疾病是骨关节炎。

    骨关节炎是一种伴随炎症和疼痛的退行性关节疾病。目前,还没有发明出对恢复关节结构和功能有明显疗效的药物。骨关节炎的常见治疗通常仅限于症状和疼痛控制,而不是长期治愈。因此,骨关节炎治疗是基于MSC的临床试验中最受关注的肌肉骨骼疾病之一。

    CARTISTEM是一种MSC产品,由同种异体脐带血来源的MSC和4%透明质酸盐水凝胶组成(NCT01041001,NCT01626677)。

    作为骨关节炎患者膝关节软骨缺损的一种有前途的治疗方法,它于2012年获得韩国MFDS监管机构批准上市。CARTISTEM应用于病变部位,通过手术植入修复全层软骨缺损。

    Lim及其同事描述了CARTISTEMIII期多中心随机48周临床试验和2021年延长的5年临床随访的结果。该临床试验招募了103名ICRS(国际软骨修复协会)4级参与者——膝关节单一、有症状、大型、全层股骨髁或滑车软骨缺损。由于之前报道过在类似情况下具有临床优势,因此精心选择微骨折作为主动控制。参与者按1:1的比例随机分为两组,包括UCB-MSC-HA组(50人)和微骨折组(53人)。主要结局是在48周关节镜检查时ICRS评估至少达到1级的参与者比例。97.7%的UCB-MSC-HA组达到了主要结果,而71.7%的微骨折组达到了主要结果。次要结果包括多个参数,例如组织学评估、疼痛视觉模拟量表(VAS)评分的变化、西安大略和麦克马斯特大学骨关节炎指数(WOMAC)以及不良事件。UCB-MSC-HA组在活检分析的组织学评估中得分更高。两组在治疗后48周时的VAS和WOMAC评分均有显着改善。然而,这两组之间没有明显差异。在5年的延长随访研究中,UCB-MSC-HA组保持了之前ICRS、VAS和WOMAS的积极作用。

    神经系统疾病

    哺乳动物神经元的再生潜力有限。一旦它们受损或退化,就很难恢复其功能。神经系统疾病种类繁多,主要是神经损伤和神经退行性疾病。大脑和脊髓的创伤性神经损伤具有很高的致残率和死亡率,并可能诱发认知和行为症状。之前有报道称,BM-MSC可以毫无损伤地穿过血脑屏障,迁移到损伤部位,通过产生神经营养因子促进神经元再生。UC-MSCs也被证明是安全的,有益于感觉和运动功能的恢复,并缓解与多个生物分子支架结合的神经性疼痛。

    一些神经系统疾病,包括阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、多发性硬化症(MS)和肌萎缩性侧索硬化症(ALS),在老年人中更为常见,并且随着预期寿命的延长,它们的患病率也在增加。临床前和临床试验研究使用各种来源的MSCs治疗AD、PD、MS和AML。这些疾病的病理生理学仍在研究中,但假设这些疾病是由于衰老导致神经元中异常蛋白质聚集引起的。

    在ClinicalTrials.gov数据库中注册了163项使用MSC治疗神经系统疾病的临床试验。虽然,许多临床试验已经注册了在AD患者中使用MSCs或MSCs-EVs产品(NCT01297218、NCT01696591、NCT02054208、NCT03172117、NCT03117738、NCT04228666、NCT02600130、NCT04855955),但很少有已经正式完成并且发表了NCT01297218等成果。使用MSCs有许多挑战需要解决,包括改进预试验和临床试验,例如建立有效的动物模型和精确的注射次数和递送路线优化。关于MSCs-EVs管理,它们的异质性、分离和生产技术需要在用于人体试验之前得到很好的建立。此外,可能需要进一步确认MSCs和MSCs-EVs产品的长期安全使用情况。

    PD治疗的临床试验有10多项(仅举几例:NCT02611167、NCT03684122、NCT04506073、NCT03550183),MS的治疗有34项(NCT01377870、NCT01854957、NCT01730547、NCT03778333等)。但是和AD类似,很多结果都没有发表。PD治疗不是一个完全了解的过程,需要额外的研究和更长的随访期。

    对脊髓损伤(SCI)功能的研究也表明,传统使用MSCs细胞疗法并没有实质性的有益效果,并可能导致各种并发症。在临床前和临床研究中,研究人员已采取替代策略,使用生物相容性生物材料支架与MSC的组合来改善治疗效果,以提供有益概念的证据。支架似乎能够增加干细胞的存活机会,甚至促进神经重新连接。

    结束语

    总之,这篇综述提供了对当前基于MSC的临床应用的简明分析。在全球范围内,人们对使用MSC或MSC衍生的ATMP进行疾病缓解和/或疾病治愈疗法的兴趣越来越大。经过5多年积累的研究和理解,间充质干细胞是再生医学中研究和应用最多的成体干细胞之一。MSC的分离、繁殖、维护、大规模生产以及功能表征和鉴定的方法已经很成熟。

    目前的MSCs研究基础肯定可以在转化过程中提供关键指导,生命、计算科学和制造进步中的新技术可以帮助深入研究,以证明未来各种严重疾病的有效治疗方案。

    参考资料:Jovic,D.、Yu,Y.、Wang,D.等。基于MSC的细胞疗法的全球趋势简要概述。 干细胞RevandRep 18 ,1525–1545(2022)。https://doi.org/10.1007/s12015-022-10369-1

    标签:干细胞治疗·间充质干细胞

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