干細胞治療新冠肺炎的研究進展

蔣素妹 王正霞 吉寧飛 黃茂

作者單位：1. 210029 江蘇 南京，南京醫科大學第一附屬醫院(江蘇省人民醫院)呼吸與危重癥醫學科 2. 225300 江蘇 南京，南京中醫藥大學泰州附屬醫院急診科

新冠肺炎(Corona Virus Disease-19,COVID-19)正在全球大流行，給世界文明發展帶來了前所未有的巨大沖擊，疫情肆虐，迄今為止卻仍未有明確的臨床治療策略。間充質干細胞(mesenchymal stem cell，MSCs)因具備免疫調節能力和再生特性，受到醫學界的青睞，目前干細胞治療已進入多個臨床試驗階段。本文對干細胞治療新冠肺炎的研究進展進行綜述，以期為臨床研究提供參考。

治療現狀

COVID-19重癥病例與嚴重急性呼吸綜合征(severe acute respiratory syndrome，SARS)和中東呼吸綜合征相似。致病病毒與SARS-Cov高度同源，故而稱之為SARS-Cov-2[1]，具有高傳染性和高致病性。目前的治療策略包括非特異性抗病毒藥物(雷米西韋等)、恢復期血漿、糖皮質激素、羥氯喹、靶向免疫調節藥(妥西單抗等)以及中藥[2-4]。雖然有數據表明地塞米松能夠降低氧療患者的28天死亡率，雷米西韋可以縮短輕癥患者的康復時間[5]，但在治療重癥感染時，這些藥物尚缺乏足夠證據支持，能夠降低死亡率[6]。

發病機制和細胞因子風暴

COVID-19的發病機制尚未闡明。研究發現，SARS-Cov-2可以通過表面的S蛋白特異性識別并結合細胞表面的血管緊張素轉換酶2(angiotensin-converting enzyme 2，ACE2)受體，進而侵入宿主細胞，這與2003的SARS-Cov 類似[7-8]。ACE2受體廣泛分布于人體多個器官組織，包括肺、心血管、肝臟、腎臟和胃腸道[9]。其實，幾乎所有的內皮細胞和平滑肌細胞都表達ACE2，因此一旦病毒進入血液循環，所有表達ACE2的組織器官都有可能成為SARS-Cov-2和免疫細胞的戰場。這就解釋了為什么除了急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)之外，重癥COVID-19患者還會并發急性心肌損傷、急性腎損傷、休克和多器官功能障礙綜合征(multiple-organ dysfunction syndrome，MODS)[10]。

重癥COVID-19發病與病毒入侵驅動宿主產生過度免疫反應有關。當免疫系統被過度激活以試圖殺死病毒時，會形成大量炎癥因子，產生病理性免疫反應，稱之為“細胞因子風暴”[11]。過度或失控的免疫反應與進展迅速的細胞因子風暴在SARS-Cov-2感染引起的ARDS和MODS 的發病機制中起著主要作用。研究顯示[7]，ICU患者相比于非ICU患者，炎癥因子如白細胞介素-2(IL-2)、IL-7、集落刺激因子(CSFs)、IL-10、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等顯著增加。。

干細胞

一、干細胞分類

干細胞是一類具有免疫調節、再生能力和分化特性的特殊細胞，分化后的子代細胞，維持局部組織穩態同時還具有與非分化細胞相同的功能[14]。鑒于此，研究人員設法將之應用到臨床治療中，以促進損傷組織的修復。干細胞根據來源不同分為兩種類型：胚胎干細胞和成體干細胞。根據分化的潛能又分為全能干細胞、多能干細胞、(成體)多能干細胞和單能干細胞[4]。其中利用人類的多能干細胞，包括胚胎干細胞(Embryonic stem cells ,ESCs)和誘導多能干細胞(iPSCs)已用來培養3D腦器官模型、治療脊髓損傷、 ARDS和膿毒癥[15]。然而ESCs起源于胚胎，存在無法忽視的倫理問題，iPSCs雖然通過自體的方式獲得，避免相關的免疫排斥問題，但能無限期生長，存在較高的致瘤風險[15]。

二、間充質干細胞

間充質干細胞(MSCs)是研究最廣的一類干細胞，有多個組織來源，包括骨髓、臍帶血、脂肪、皮膚、胎盤、羊水、牙髓和毛囊。不同于ESCs的完全可塑性，MSCs具有較高的可塑性，可分化為多種細胞系。MSCs有多種優勢，易于分離，具有較高的體外擴張潛力和較低的免疫原性，利于同種異體間移植[15]。此外，它們可以通過自體獲得，減少了免疫排斥問題，且使用時幾乎不涉及倫理問題。

MSCs已在動物模型中應用于脊髓損傷、骨關節炎、心肌梗死、肝病、自身免疫性疾病和造血缺陷等不同疾病的治療。移植MSCs可顯著恢復心肌梗死后心功能，降低死亡率，促進大鼠肝損傷后細胞的再生[16]。在小鼠博來霉素誘導的肺損傷模型中，MSCs降低了博來霉素引起的肺組織炎癥和膠原沉積[17]。

干細胞能夠發揮組織修復作用，一方面源于其有多向分化潛能和歸巢能力，它們可以主動遷移到損傷部位，并分化為局部成分，基質衍生因子-1(SDF-1)/CXC趨化因子受體4(CXCR4)軸是MSCs歸巢的關鍵[18-19]。 研究發現，骨髓間充質干細胞靜脈輸注后會自行聚集到肺，發揮免疫調節作用，保護肺泡上皮細胞，恢復肺微環境，預防肺纖維化，改善肺功能[20]；另一方面，MSCs通過旁分泌途徑釋放多種可溶性細胞因子，其中最具特征的是外泌體(exosome)，諸多研究證實MSCs的修復功能與其釋放的外泌體密切相關。Khatri等人在流感病毒的豬模型中使用MSCs衍生囊泡(MSC-EVs)，發現病毒在肺中的復制、促炎細胞因子的產生和病毒引起的肺損傷均明顯減少[21]。Zhu等人在研究誘發性肺損傷時觀察到應用人MSC-EVs可減少肺水腫和中性粒細胞計數，增加角質細胞增長因子的表達[22]；三是與免疫細胞直接作用，或與宿主細胞發生基因融合發揮免疫調節作用[23]。此外，基因研究[24]顯示MSCs不表達ACE2和Ⅱ型跨膜絲氨酸蛋白酶，提示MSCs對SARS-Cov-2天然免疫，MSCs低表達或不表達HLA，這種低免疫原性，能夠使其逃避宿主的免疫反應，是其發揮治療作用的重要基礎[25]。

MSCs已廣泛應用于細胞治療和組織工程中。在治療皮質醇耐藥的免疫介導的炎癥性疾病中，如移植物抗宿主病(GVHD)[26]，MSCs顯示出良好療效，且無嚴重不良反應。對MSCs治療研究的系統性回顧和Meta分析發現，發熱的風險增加，但沒有急性輸注毒性、感染、血栓/栓塞事件或惡性腫瘤等不良反應[27]。

三、LIFNano

此外，MSCs 釋放的白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor，LIF)可對抗病毒性肺炎期間的細胞因子風暴[28]，但可能表達不夠，不足以對抗疾病的破壞。帶有“LIFNano”的合成干細胞作為一種創新的技術選擇，比不使用納米技術增加了1000倍的效能，或許能夠滿足當下疫情對大量藥物的需求，有利于抑制細胞因子風暴[29]。

四、干細胞治療新冠的臨床試驗

MSCs作為一種治療方法，在呼吸系統疾病動物模型中已得到了充分體現，研究相對較多的包括ARDS、哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌、肺炎和特發性肺纖維化。部分已進入臨床I/ II期試驗。新冠肺炎暴發后，干細胞的治療再次受到醫學研究人員的廣泛關注，多個小規模臨床試驗相繼展開。

北京佑安醫院給7例COVID-19肺炎患者單次靜脈注射MSCs后發現，MSCs的免疫調節療效顯著，重癥患者的調節性T細胞和樹突狀細胞顯著增加[24, 30]。

由于臍帶間充質干細胞(umbilical cord-derived mesenchymal stem cells，UC-MSCs)相對骨髓間充質干細胞更易獲得，且可以在實驗室中快速有效地擴增[30]。Meng等[31]研究發現中重度COVID-19患者接受UC-MSCs治療后，需要機械通氣和呼吸困難的病例數減少，血清IL-6水平下降，4例重癥患者中，IL-6水平最高者下降最大，氧合指數改善最顯著，提示炎癥細胞因子高的患者更有可能受益于UC-MSCs治療。

Shu等[32]的臨床試驗中治療組CRP和IL-6水平明顯降低，CT顯像對肺部炎癥的吸收明顯短于對照組。研究同時意外發現一個有趣現象，合并糖尿病的COVID-19患者在移植UC-MCS后使用胰島素的次數減少。因為糖尿病是COVID-19患者死亡的獨立危險因素[33]，對于此類患者，UC-MCS移植或許是最適合的治療措施。

Feng等人[34]開展了一項前瞻性隊列隨訪研究，28例嚴重COVID-19患者隨機分為標準治療組(對照組)和標準治療加hUC-MSC組，隨訪三個月后，兩組血常規、C反應蛋白和降鈣素、肝腎功能、凝血、心電圖、腫瘤標記物、視力，幾乎都在正常范圍內，而且hUC-MSC組平均FEV1、FEV1/FVC更高，圣喬治評分更低。研究顯示靜脈移植hUC-MSC可部分促進肺功能的恢復，改善健康相關生活質量(HRQL)。

截至目前全球基于MSCs的COVID-19治療的臨床試驗已逾300多個，已完成的有38個(http://www.chictr.org.cn；https://clinicaltrials.gov)。一項在中國60名嚴重COVID-19中進行的前瞻性、雙盲、多中心隨機試驗(NCT04288102)，以評估靜脈注射UC-MSCs的療效和安全性。目前該臨床試驗處于第2階段。另一項在美國進行的12例小規模的臨床試驗(NCT04355728)，旨在了解hUC-MSCS治療有急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征(ALI/ARDS)嚴重并發癥的COVID-19患者的安全性和有效性。其余都尚未招募或處于招募中，多個國家的醫生和研究人員正致力于此研究，這些正在進行的臨床試驗為對抗COVID-19提供了重要的信息。

諸多研究表明MSCs或其外泌體(MSCs-exo)都可減輕不同類型肺損傷引起的肺部炎癥和病理損害，猜測MSCs的抗炎及免疫調節或許是通過MSC外泌體作用。雖然目前為止沒有發生MSCs相關的嚴重不良事件，但仍有學者認為靜脈注射MSCs可能損傷微循環，并具有致突變性和致癌性的風險，而霧化吸入MSC衍生的外泌體卻可以規避這樣的風險。鑒于此，上海瑞金醫院率先開展了吸入MSCs-exo治療嚴重COVID-19的I期臨床試驗(ClinicalTrials.gov, Identifier:NCT04276987)，以評估其安全性和有效性。最新一項針對COVID-19相關ARDS患者進行擴展訪問協議(NCT04657458)正在展開，采用骨髓間充質干細胞衍生細胞外囊泡(ExoFlo)輸注，或許能為重癥COVID-19患者帶來福音。而且與MSCs相比，MSCs-exo的另一個優點是儲存時間較久，長達數周甚至數月，可以在-80℃不使用二甲基亞砜而保持生物活性[35]，更利于運輸和遠距離使用。

展 望

MSCs 相關的細胞療法在臨床前數據中顯示出較好的療效，可以用于臨床。對于 COVID-19 研究，預防細胞因子風暴可能是治療新冠肺炎的重要節點。在高水平炎癥因子患者中，及時的免疫調節干預可能防止疾病進展到ARDS，并避免了侵入性通氣。免疫調節的理想機會窗口，可能是在患者發生疾病加重和需要有創機械通氣(插管)之前[36]。一旦病人需要氣管插管，干預窗口期可能已經錯過。所以，臨床上迫切需要探尋與疾病的病理生理學密切相關的生物標志物，來預測不良結局并深入描述不同疾病階段宿主的免疫反應，為免疫調節劑對抗病毒反應提供治療靶點。

干細胞的抗炎和免疫調節作用在諸多臨床前及臨床研究中，均得到了證實，干細胞能夠分化為不同的組織細胞類型為其不同組織器官的修復提供了理論依據。到目前為止，無論是臨床前研究還是早期臨床試驗，都尚未發現干細胞相關的致癌、致畸及其他不良事件，為將來的臨床醫學提供了巨大的保障，也使其成為治療重癥COVID-19的有力候選者。

與之相比，干細胞衍生的微泡或外泌體具備多種優勢，它們在急性炎癥性肺疾病的臨床前研究主顯示出與其母細胞幾乎等效的抗炎和免疫調節效應，因為不需要分化和自我復制，降低了醫源性腫瘤形成的風險；可以在-80℃不需要二甲基亞砜儲存仍能保持生物活性；它們不表達MHCI或II抗原，也不能誘導其表達，允許異基因移植[35]。這些不受倫理限制、高可用性和易于保存等等優點，使其在臨床中擁有廣泛的應用前景。

COVID-19疫情的暴發，使得全球的研究人員齊心協力，聯手抗擊疫情，許多臨床試驗相繼開展，重點是MSCs，而且仍然需要大樣本的隨機對照試驗以減少偏差。目前我國針對SARS-Cov-2的疫苗已在群眾中推廣，特效抗病毒藥物尚在研發中，藥物治療似乎仍然不足，干細胞治療可能成為重癥患者的福音。