当干细胞遇到新冠：最新进展、挑战和前景展望
2022年1月10日发表于《Stem Cell Research & Therapy》的一篇题为“When stem cells meet COVID-19: recent advances, challenges and future perspectives”的综述，详尽的汇总了目前干细胞用于治疗新冠的最新进展。在此，感谢作者们的辛苦付出，细胞王国进行原创编译后分享给读者，本文不做任何商业转化引导，如有需要请咨询专业人士。
来源｜Stem Cell Research & Therapy
编译｜摩西
排版｜南风
新冠病毒（COVID-19）目前正在全球蔓延，感染率和死亡率都很高，对全球公共卫生构成巨大威胁。COVID-19主要表现为缺氧性呼吸衰竭和急性呼吸窘迫综合征，可导致多器官衰竭。尽管支持性护理方法取得了进展，但仍然缺乏临床有效的治疗方法，迫切需要开发新的策略来对抗这种疾病。目前，干细胞疗法和干细胞衍生的类器官模型作为 COVID-19 的一种新的治疗和研究方法受到了广泛关注。
冠状病毒是对人类和动物健康构成严重威胁的病原微生物，会导致感冒和更严重的疾病，例如中东呼吸综合征 (MERS) 和严重急性呼吸综合征 (SARS)。SARS-CoV-2 是一种新型冠状病毒株，此前从未在人类中发现过[3 , 4]。自2003年以来，对SARS和MERS冠状病毒的研究从未停止，在其自然来源和致病机制方面取得了一定进展。然而，迄今为止，还没有针对 SARS-CoV、MERS-CoV、SARS-CoV-2 和其他 HCoV 感染的特异性治疗方法。
幸运的是，在各国的共同努力下，COVID-19疫苗已经上市。接种疫苗后，可刺激身体产生相应的保护性抗体，从而降低感染 SARS-CoV-2 的风险。尽管如此，SARS-CoV-2 病毒至今仍是个谜，因为其传播、感染和治疗等诸多特征仍有待解开[ 5 ]。该病毒已经发生了可能影响抗体有效性的各种突变 [6 ,7]。因此，为COVID-19 寻找安全有效的治疗方法一直是全人类的共同目标。
干细胞，尤其是间充质干细胞（MSCs），具有强大的免疫调节和组织损伤修复功能。近年来，MSCs和肺干/祖细胞（LSCs）已广泛用于治疗病毒感染和各种疾病，包括急性肺损伤（ALI）[8]。自COVID-19爆发[9]以来，间充质干细胞 (MSC) 疗法也一直备受关注。目前的研究表明，间充质干细胞可有效减轻 SARS-CoV-2 引起的患者严重炎症反应，减轻肺损伤，改善肺功能，保护和修复肺，在缓解COVID-19肺纤维化方面发挥积极作用。
此外，多项研究表明，多种来源于干细胞的类器官为探索SARS-CoV-2感染多器官的可能性和机制提供了理想且充分的模型，可以更好地服务于临床治疗研究。在这里，我们将讨论干细胞将如何在对抗 COVID-19 的战斗中发挥作用，并对基于干细胞的治疗和COVID-19 疾病建模研究进行系统回顾和展望。
冠状病毒是一类包膜加链RNA病毒，可在人类和各种动物中引起严重的呼吸系统、消化系统和神经系统疾病[10 , 11 , 12]。在病毒核酸序列分析的基础上，国际病毒分类委员会将冠状病毒分为α、β、γ和δ四个属。其中，β冠状病毒是最具传染性和致病性的，它们曾导致2003年爆发严重呼吸综合征（SARS，SARS-CoV感染），中东呼吸综合征（MERS，MERS-CoV感染）2012年和2019年的冠状病毒病（COVID-19、SARS-CoV-2 感染）。SARS-CoV-2 病毒的基因组由29,891个碱基对组成，编码9,860个氨基酸。它与SARS-CoV和MERS-CoV 的核苷酸序列分别具有大约79%和50%的一致性[13 , 14]。
SARS-CoV-2病毒的直径约为80-120nm，可编码29种蛋白质，其中病毒包膜上表达的刺突糖蛋白（S蛋白）是介导病毒侵入宿主的重要结构蛋白质 [15]。SARS-CoV-2的S蛋白与宿主细胞的血管紧张素转化酶2（ACE2）受体结合后，病毒进入宿主细胞，然后大量复制和传播。SARS-CoV-2 感染的主要靶细胞是 ACE2 阳性细胞，如肺中的II型肺泡上皮 (AT2) 细胞和常驻肺泡巨噬细胞，以及肝脏、肾脏、心脏和肠道中的内皮细胞 [16,17,18,19,20]。
COVID-19病理生理学和MSC治疗的潜在机制的示意图
COVID-19的症状因人而异，从无症状感染到危重病不等。对疫情初期47例患者的医学观察发现，发热、乏力、干咳是COVID-19的主要表现，少数患者有咳痰、腹泻[21、22]。大多数严重病例会在一周内出现呼吸困难或低氧血症，甚至在严重病例中迅速发展为 ARDS、感染性休克、代谢性酸中毒和凝血功能障碍 [21 , 23 , 24]。COVID-19 症状在感染约 5.2天的潜伏期后出现，从症状出现到死亡的时间范围为6至41天 [25]。
通过对报告病例的回顾性分析发现，确诊病例的年龄在30-69岁之间（77.8%），男性病例占51.4%。死亡病例主要为60岁及以上人群，他们原本患有心血管疾病、高血压等基础疾病。研究证实，人类呼吸是 COVID-19 的一种重要传播方式，但它并不是传播感染的唯一途径。此外，气溶胶传播和胃肠道传播也有报道[26 , 27]。黏膜组织的暴露和未受保护的眼睛会增加感染的风险，新生儿在子宫内或围产期也可能被感染 [28, 29 , 30 , 31]。
尽管有几种疫苗已成功上市并陆续给人们使用，但COVID-19尚未在全球范围内得到完全控制。疫苗的有效性和安全性仍然是需要关注的问题。与其他病毒类似，SARS-CoV-2 会随着时间的推移积累核苷酸突变 [32]。随着它的进一步扩散，可能会继续出现更多变体，这可能会受到来自天然免疫、疫苗和治疗药物的选择压力。为了补充疫苗的作用，COVID-19的治疗策略仍需不断探索。在这些潜在的治疗方法中，干细胞疗法作为一种新的治疗方法受到了广泛的关注。
细胞疗法是一种重要的治疗方法，已应用于多种疾病，包括肺[33、34、35、36、37] 、心血管[38、39、40]、肝[41、42]、肾[43、44] 和其他疾病 [45 , 46 , 47 , 48]。干细胞是具有自我更新能力和多向分化潜能的原始细胞，可以分化成多种功能细胞或组织。干细胞疗法是将其通过体外分离、培养和定向分化而培养成新的、正常的、年轻的细胞、组织甚至微器官，然后将它们移植到身体的特定部位，从而恢复身体机能。干细胞疗法不仅适用于重症 COVID-19 患者，也适用于从严重 COVID-19 并发症中恢复的患者，以修复受损的肺部，使其成为理想的治疗方法。
目前，实验性干细胞治疗在COVID-19重症患者中的应用和研究较多（表1），尤其是MSC治疗[49]。间充质干细胞来源于胚胎发育早期的中胚层和外胚层，由于其多向分化潜能、免疫调节特性和无伦理争议[50,51,52]而受到越来越多的关注。随着再生医学和精准医学的发展，MSCs已经从不同的组织中分离出来，用于特定的组织修复和再生[53]。迄今为止，MSCs可以从多种成人组织中获得，主要是骨髓、脐带血、脐带、胎盘、脂肪组织、子宫内膜、子宫血、胚胎等[54,55,56]。
表1:用于COVID-19治疗的干细胞
Leng等人对COVID-19干细胞治疗的第一项研究。报道称7名COVID-19患者在静脉注射临床级MSCs后改善了他们的功能结果并促进了康复[57]。2020 年1月23日至2020年2月16日，中国北京佑安医院招募了7名COVID-19患者（5名重症、2名轻度）。每位患者接受1×106的静脉输液每公斤体重的MSC。移植后两小时内未观察到急性输液相关的不良反应或过敏反应。MSC移植前患者表现为高热、乏力、气短、缺氧。然而，在移植后 2-4 天，所有患者的所有症状都消失了，肺功能得到了显着改善。此外，该研究表明ACE2的缺失和某些营养因子的高表达可能是MSCs的免疫调节机制。
脐带（尤其是沃顿氏胶）与骨髓不同，含有高浓度的间充质干细胞。它是MSC最丰富的来源之一。来源于人脐带的间充质干细胞（hUC-MSCs）可以无创提取，细胞增殖迅速，是治疗COVID-19最合适的干细胞。阿尔图里等人报道了一名接受hUC-MSCs治疗的患者（每 3天5000万个细胞／次，每次3剂同种异体脐带MSCs），该患者是一名来自中国的65岁COVID-19 患者[58]。治疗后，没有发生不良反应或超敏反应。王等人报道了一项hUC-MSCs 治疗 COVID-19的I期临床试验 [59]。hUC-MSC在中重度患者的第0、3和6天静脉内输注3次（每次输注3×107个细胞），未观察到严重的输液相关不良事件。
对照组中的一名重症患者出院时仍有明显的肺部病变。在接受hUC-MSCs 治疗的患者中，PaO2 /FiO 2比值提高，IL-6 水平下降。胸部CT显示，输注hUC-MSC的患者肺部病变在6天内得到很好的控制，在2周内完全消失。
舒等人报道了输注 hUC-MSCs 治疗重症 COVID-19 的疗效和安全性，在12名重症COVID-19患者中进行了UC-MSCs 的静脉输注[60]。结果显示，与对照组相比，hUC-MSC输注可以降低炎症CRP和IL-6的水平，加速淋巴细胞计数的恢复，缩短肺部炎症的吸收期。此外，hUC-MSC 输注改善了虚弱和疲劳、呼吸急促和缺氧的临床症状。治疗组28天死亡率为0，而对照组为10.34%。
同样，彭等人报道了一名66岁女性患者接受hUC-MSC治疗的病例 [61]。该患者在与一名COVID-19患者接触后出现喉咙痛、咳嗽、发烧和SARS-CoV-2。常规治疗后患者病情继续恶化，但在静脉输注恢复期血浆 (CP) 和 UC-MSCs 后肺功能明显改善。几天后，她的SARS-CoV-2 检测呈阴性，她康复出院。
Liang等人的另一项研究。介绍了一例用 hUC-MSCs 治疗的 65岁重症COVID-19患者 [62]。患者接受了3次静脉注射hUC-MSCs (5×107个细胞），并且同种异体移植物表现出良好的免疫耐受性。第二次静脉注射后，中性粒细胞减少，淋巴细胞增加，CD4+ /CD8+T 细胞恢复正常水平。此外，患者的病毒学、肺部影像学、临床生化实验室指标均有明显改善。
张等人还报告了一例54岁男子，有4天的咳嗽、胸闷和发烧史 [63]。除了2年的糖尿病病史外，他没有特定的病史。由于患者病情恶化，炎症导致器官损害严重，在专家组的建议和指导下，提出人脐带沃顿氏胶衍生MSC（hWJC）过继转移疗法。在hWJC注射期间，其他常规疗法照常使用。移植后2小时内未观察到急性输液相关或过敏反应、迟发性超敏反应或继发感染。移植后2～7天，不适症状消失，患者炎症状态和肺功能明显好转，治疗7天后出院。
Sanchez-Guijo等人报道了用脂肪组织来源的MSCs (AT-MSCs) 治疗的 COVID-19 患者[64]。在这项研究中，13名接受过抗病毒和抗炎治疗的有创机械通气的COVID-19成年患者接受了异基因AT-MSC治疗。基于患者标准0.98×106AT-MSCs/kg，10名患者接受2剂，2名患者接受1剂，另一名患者接受3剂。没有与干细胞治疗相关的不良事件。用AT-MSCs治疗后，C反应蛋白、IL-6、铁蛋白和LDH等炎症参数降低，淋巴细胞增加。最后，观察到9例患者（70%）的临床改善，其中7例患者从ICU出院。
来自月经血的 MSCs (MenSCs) 具有典型的MSC 特征，如自我克隆、快速增殖和多能性 [65]。MenSCs 可以很容易地以无创方式从废弃的经血中获得，并且可以定期获得并进行移植，而不会造成创伤或伦理风险。MenSCs 也可用作COVID-19的替代疗法，尤其是在 ARDS患者中[66]。MenSC移植增加了CD4+淋巴细胞的数量并降低了炎症标志物的表达。移植治疗后，SAO2和 PO2好转，胸部CT显示双侧肺渗出物吸附。
肺纤维化是COVID-19患者的严重并发症。吴等人报道了一组源自人类胚胎干细胞 (hESCs) 的MSC样干细胞的研究，他们将其命名为免疫和基质调节细胞(IMRCs) [67]。基于IMRC在小鼠模型急性肺损伤研究中的成功，他们使用hESC-IMRC 在COVID-19引起的肺纤维化患者中进行了1期临床试验 [68]。在这项试验中，27名具有不同程度肺纤维化和呼吸道症状的COVID-19患者接受了（3×106细胞/公斤体重）剂量的hESC-IMRC静脉输注。
所有患者在用hESC-IMRC治疗后84天都表现出临床改善。肺纤维化病灶明显减少，血液学和临床化学参数保持在正常范围内。接受细胞治疗的患者均未出现任何相关的异常反应或不良事件。此外，血清中未检测到肿瘤标志物，表明静脉输注hESC-IMRCs对COVID-19肺损伤患者是安全的。
同种异体心脏衍生细胞（CDCs）是一种心脏干细胞，具有很强的体外分化和再生血管系统的能力。注射到动物体内后，CDC 可以很好地定殖、迁移和分化。辛格等人评估了另一种基于细胞的疗法（CAP-1002，源自CDC）在 2019 年诊断为 COVID-19 的危重患者中的安全性和有效性[69]。他们评估了6名年龄在19-75岁之间静脉输注CAP-1002的患者，未观察到与给药相关的不良事件。6名重症COVID-19患者对 CAP-1002 静脉输液耐受良好，其中4人出院。然而，对照组34例重症患者的死亡率为18%。这些结果支持 CAP-100在COVID-19患者中的安全性。
最近的研究表明，间充质干细胞的治疗作用，尤其是免疫调节作用，主要归因于旁分泌效应 [70 , 71 ]。MSCs释放的外泌体（EXOs）是旁分泌因子的重要组成部分之一。由于其远程靶向性和稳定性，一些EXO可以替代MSC，以执行类似的治疗功能。
在Sengupta等人进行的一项前瞻性非随机开放队列研究中。探索了异基因骨髓MSC衍生的外泌体 (ExoFlo) 在治疗重症COVID-19患者中的安全性和有效性[72]。24名18-85岁的患者接受了单次15mL静脉注射ExoFlo，并在治疗后14天内评估了安全性和有效性。静脉输注后，没有因ExoFlo 治疗引起的不良反应。该研究的存活率为83%，治愈率为71%，死亡率为16%（与 ExoFlo 治疗无关），而13%的患者仍然病情严重。在ExoFlo给药后，除了急性期反应物减少外，中性粒细胞和淋巴细胞的减少也得到了显着改善。
与MSCs相比，MSC-EXOs可以以无创方式从患者体内分离出来。它们呈现出构成原始MSCs的生物学特征，并含有独特的生物活性分子 [73]。重要的是，MSC-EXO体积小、易于循环、免疫原性低、半衰期长、稳定性和效率高[74]。此外，使用EXO是一种无细胞疗法，最大限度地减少注射活细胞时的安全问题 [75]。
然而，MSC-EXO 疗法仍处于早期阶段，在临床广泛应用之前还有许多问题需要解决。例如，需要控制MSC-EXO的质量，因为EXO的特性取决于MSC的状态，这决定了治疗效果[71]。只有对EXOs的疗效和安全性问题的指导方针和标准进行完善，才能加速MSC-EXOs的临床应用。
免疫异常是重症 COVID-19 患者病情恶化的主要原因。SARS-CoV-2 入侵人体后迅速复制，触发免疫系统释放炎症细胞和抗体。在大多数情况下，病毒会被人体的免疫系统顺利清除。但感染SARS-CoV-2后，机体免疫调节网络失衡，释放大量炎性细胞因子，如肿瘤坏死因子TNF-α、粒细胞集落刺激因子（GCSF）、白细胞介素 (IL)-1α、IL-12、IL-1β、IL-2、IL-6、IL-7、IL-10 (Th2) 和 IFN-γ (Th1)，导致细胞因子风暴综合征 (CSS ) [21 , 23]。细胞因子风暴的机制导致进一步的 ARDS、急性心脏损伤和继发感染，导致全身性败血症和多系统衰竭。越来越多的研究表明，重症 COVID-19 患者的血浆细胞因子水平显着升高，这表明 CSS 在 SARS-CoV-2 死亡中起重要作用。避免 CSS 可能是治疗 COVID-19 感染患者的关键。
间充质干细胞具有广泛的免疫调节能力，可以调节先天免疫系统和适应性免疫系统，使其成为 COVID-19 最有前景的细胞疗法 [50 , 76]。如图1所示，MSCs可以通过旁分泌以及胞外囊泡的释放，分泌多种可溶性因子，如一氧化氮、吲哚胺2,3-双加氧酶、前列腺素E2、TGF-β和IL-10和EXO来抑制过度的免疫反应和CSS。此外，间充质干细胞还可以与各种免疫细胞直接相互作用，包括淋巴细胞T细胞、B细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和NK细胞，以调节免疫反应的强度和平衡 [77]。而且研究发现，成体细胞只有在病毒入侵时才会产生干扰素，从而激活数百个抵抗病毒感染的基因，招募免疫细胞抵抗病毒感染，而干细胞可以不依赖干扰素，持续激活许多抗病毒基因。.
除了调节免疫，间充质干细胞在治疗病毒感染引起的肺损伤和修复方面也有很大的优势。间充质干细胞具有潜在的多向分化功能，可产生多种细胞因子和生长因子，通过影响PI3K/Akt、Wnt、NF-κB等细胞信号通路，治疗或修复病毒引起的肺组织损伤[52]。
静脉注射后，一些归巢于肺部的 MSCs 可分化为肺泡上皮细胞和肺血管内皮细胞 [78]，可增加肺泡表面活性物质的分泌，促进血管再生，从而促进损伤修复。此外，MSCs 还可以促进 COVID-19 患者其他受损组织的修复。研究表明，间充质干细胞通过分泌细胞因子激活多种修复机制，包括抗炎和抗凋亡效应因子，促进血管生成，促进肾脏和肠道的修复。
MSC介导的免疫调节和再生疗法已被建议用于治疗COVID-19。然而，使用MSCs进行治疗仍然存在许多挑战。主要的技术挑战是MSC [79] 的低归巢效率。MSCs的静脉注射显示低归巢效率，并且细胞被困在肺毛细血管中。这一过程可以部分解释为MSCs [80 , 81]上产生的归巢因子（如CXCR4）不足。据报道，MSCs的存在逐渐导致体外繁殖过程中归巢因子的表达显着下降 [82]。
多种策略已被用于提高 MSCs 的归巢能力，包括靶向药物递送、基因修饰、磁引导、体外启动、细胞表面修饰和放射治疗技术 [83 , 84]。此外，其他因素还包括MSCs的来源和剂量、给药时间窗、给药途径、给药频率、细胞分离和生长策略等，需要进一步探索和优化。MSCs的内部存活率也很低，并且存在供体变异性。这些问题亟待解决。
MSC介导的COVID-19 疗法也面临着免疫原性、细胞数量有限以及可能的输注风险等问题 [85]。在安全性和有效性方面，临床使用自体BMSCs是最好的方法，但要产生临床相关数量的干细胞需要相当长的时间，这在当前COVID-19 紧急情况下并不总是可行的。快速制备最佳数量的临床级 MSC 并在治疗期间提供它们是干细胞治疗的一项重要挑战 [86]。
例如，原代组织中的骨髓间充质干细胞稀少，因此需要在体外扩增这些细胞以获得数亿个细胞作为治疗剂量。这种细胞扩增需要数周时间。在当前疫情紧迫的情况下，管理时间、成本、GMP级试剂和适当的质量检测是另一个挑战 [87]。此外，扩增的MSCs的基因组稳定性和再生潜力可能会受到影响，这引发了对扩增 MSCs临床使用安全性的另一个担忧。另外，干细胞疗法价格昂贵，大多数人可能负担不起[88 ]。
MSC移植治疗COVID-19也可能存在输液风险：首先，存在与干细胞质量标准和生产工艺相关的产品风险，包括血清和培养物等异源物质引起的发热和过敏反应源于培养过程中加入的培养基。其次是与干细胞给药途径和输注后在体内的分布有关的风险[89 , 90]。干细胞静脉注射后，首先通过肺循环。肺功能受损可能会进一步增加肺微循环的负担，导致气体交换减少和心脏负荷增加。输液后密切监测呼吸和循环指标有助于及时发现可能的输液风险。
干细胞在SARS-CoV-2多器官感染模型中的应用
除了用于治疗外，干细胞还在COVID-19疾病建模中发挥关键作用。在过去十年中，类器官技术一直是干细胞研究中最重要的进步之一。三维（3D）类器官是来自干细胞的体外组织模型，包括成体干细胞（ASCs）或多能干细胞（PSCs），其中包含多种器官特异性细胞类型，可以真实地模拟人体的生理结构和功能[91]。目前，已经成功建立了多种类器官，如视网膜、肺、脑和胃肠道类器官[92、93、94、95、96]。它们已被迅速广泛地用于许多用途：包括基础研究和转化医学。
引起COVID-19大流行的SARS-CoV-2病毒主要针对呼吸道上皮细胞并引起急性呼吸窘迫综合征。过去一年的临床研究表明，SARS-CoV-2可能会导致患者的多器官功能障碍，并且已在各个器官系统中检测到病毒的存在[97]。为了研究SARS-CoV-2在多个器官中感染的可能性，不同器官系统（包括肺、肠、心脏和大脑）的干细胞模型可以作为直接研究 COVID- 19 中多器官损伤的工具。
SARS-CoV-2 的干细胞模型
Zhao等人完成了使用类器官模拟SARS-CoV-2感染的第一项研究[98]。本研究探讨了SARS-CoV-2攻击人类肝脏的机制。他们使用嵌入Matrigel中的肝胆管衍生祖细胞来组装称为肝导管类器官的长期可扩展3D结构。基于这种肝脏类器官模型，证实SARS-CoV-2可以感染胆管细胞，下调胆管组织中细胞紧密连接和胆汁酸转运相关基因的表达，提示胆管功能障碍可能是一些COVID-19患者的肝损伤病因。此外，SARS-CoV-2感染的类器官中凋亡相关因子的表达上调，为研究新型冠状病毒细胞亲和力、致病机制和后续药物开发提供了重要工具。
SARS-CoV-2被认为是通过呼吸道传播并感染肺部。尤克等人开发了一种长期无饲养层 (3D) 培养技术，从原代人肺组织中提取人肺泡2型 (hAT2) 细胞，以研究对SARS-CoV-2感染的反应 [26]。发现病毒在感染细胞中快速复制，干扰素相关基因和促炎基因的表达增加。该模型为研究 SARS-CoV-2 的发病机制提供了有用的工具。
同样，Katsura 等人建立了一个无饲养层、可扩展、化学定义和模块化的肺泡循环培养系统，用于从原代肺组织中提取的人肺泡2型细胞/肺细胞的增殖和分化 [99]。培养的肺细胞表达ACE2，因此可能被 SARS-CoV-2 感染。感染病毒的肺泡球可以反映COVID-19肺部的特征，包括干扰素 (IFN) 介导的炎症反应、表面活性蛋白的丢失和细胞凋亡。Tindle等人的研究结果还验证了COVID-19 的人肺模型，该模型可立即用于研究COVID-19的发病机制并验证新的疗法和疫苗[100]。
此外，周等人发现SARS-CoV-2可以感染人类和蝙蝠的肠道器官，并能保持强大的病毒复制能力[101]。在这项研究中，蝙蝠和人类肠道类器官是由肠道干细胞使用先前报道的方法构建的[102]。然后，从COVID-19患者获得的鼻咽样本与人类或蝙蝠肠道类器官共培养，培养的上清液用于重新感染类器官。测试结果表明，随着时间的推移，肠道器官中的病毒载量迅速增加。
此外，研究人员发现，SARS-CoV-2 侵入宿主细胞所需的 ACE2 和 TMPRSS2 表达水平，在分化的人类肠道类器官中以及ACE2和TMPRSS2蛋白在蝙蝠肠道类器官中的分布都有显着改善。同样，拉默斯等人从原代肠道内皮干细胞建立人类小智能生物体(hSIO) 的3D模型并进行病毒感染实验[103]。这些研究结果表明，在hSIOs中，肠道细胞很容易被SARS-CoV和SARS-CoV-2感染并支持SARS-CoV-2复制。
韩等人首次报道了使用 hPSC 衍生的肺类器官模型研究 COVID-19 疾病以及该模型在治疗药物筛选中的应用 [104]。FDA 批准的三种用于COVID-19感染的药物已成功验证在该肺器官模型中有效。在此之前，SARS-CoV-2感染的细胞系被用于筛选药物。然而，细胞系难以模拟组织细胞在病毒感染后病理生理过程的行为，而hPSCs诱导的类器官可以部分模拟真实的器官信号，使得筛选药物的研究更具临床意义。
为此，韩等人还开发了hPSC衍生的肺和结肠类器官（hPSC-LOs和hPSC-COs），以探索结肠细胞对SARS-CoV-2感染的反应，并优化为用于高通量药物筛选的体外平台。利用这些平台，他们确定了SARS-CoV-2的进入抑制剂，包括伊马替尼[105]。
段等人通过hSCs的定向分化建立了肺和巨噬细胞的共培养系统，并模拟了SARS-CoV-2感染引起的宿主病原体相互作用和免疫反应[106]。该研究发现，在感染的早期，M2巨噬细胞可以通过阻止病毒进入靶细胞，增强巨噬细胞的抗炎作用来消除SARS-CoV-2。他们还称赞hPSC诱导模型提供了大量具有遗传背景的细胞，从而避免了对组织相容性的担忧，并促进了可靠的机械和治疗研究。
此外，黄等人使用源自已适应气-液界面培养的人类诱导多能干细胞 (hiPSC) 的AT2模拟 SARS-CoV-2 对肺泡上皮细胞的初始感染[107]。他们在受感染的细胞中发现了一种快速的转录变化，其特征是转变为炎症表型，包括NF-κB信号转导的上调和成熟肺泡程序的消失。药物测试证实了remdesivir和TMPRSS2蛋白酶抑制的有效性，并验证了病毒进入肺泡细胞的假设机制。本课题组的干细胞模型系统揭示了肺靶细胞对SARS-CoV-2感染的内在细胞反应，有助于药物研发。
塞缪尔等人发现了人类胚胎干细胞衍生的类器官，在深入研究具有特定生理和病理特征的疾病方面的潜力，为新药开发和精准治疗提供了极好的模型[108]。他们的研究结果表明，雄激素信号传导是 ACE2 水平的关键调节因子，抗雄激素药物治疗可降低ACE2的表达，并保护源自 hESC 的肺器官免受 SARS-CoV-2 感染。这些发现提供了对男性对该疾病不成比例的易感性机制的见解，并将抗雄激素药物确定为COVID-19的候选疗法。
裴等人还从人类胚胎干细胞中产生人肺气道和肺泡类器官。这些类器官系统不仅可以模拟SARS-COV-2肺部感染作为研究 SARS-COV-2 感染的病理生理模型，还可以用于发现和测试COVID-19治疗的靶向药物[109]。
SARS-CoV-2在人脑类器官中直接感染的第一个证据来自香港大学的团队，他们使用多能诱导干细胞制造了人脑类器官。在被SARS-CoV-2感染的神经球和脑类器官中检测到病毒蛋白和传染性病毒颗粒的广泛表达。SARS-CoV-2感染定位于3D人脑类器官中的TuJ1（神经元标记）和 Nestin（神经干细胞标记）阳性细胞，表明SARS-CoV-2可以直接影响皮质神经元和神经干细胞[110] .
随后，拉马尼等人使用iPSC 衍生的人脑类器官建立了 SARS-CoV-2 感染的测试系统，这表明 SARS-CoV-2 的潜在神经毒性作用[111]。通过使用全系统的人类细胞谱系和类器官开发一个广泛的平台，Yang 等人发现胰腺α和β细胞、肝脏器官、心肌细胞和多巴胺能神经元都可以通过假进入和活SARS-CoV-2系统感染SARS-CoV-2 [112]。
一些研究人员还以人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC CMS）为模型，研究了SARS-CoV-2心肌细胞特异性感染的机制。SARS-CoV-2感染在肝脏类器官中具有高度耐受性，并且SARS-CoV-2在体外以ACE2和组织蛋白酶依赖的方式感染心肌细胞，这可以被抗病毒药物瑞德西韦抑制 [113 , 114 , 115 , 116]。
此外，Monteil等人建立了由iPSCs在体外诱导的人体血管和肾脏类器官，发现由SARS-CoV-2引起的类器官感染可以被人重组可溶性ACE2 (hrsACE2) 抑制，hrsACE2在一定剂量下抑制SARS-CoV-2感染依赖方式[ 117 ]。已经直接证明hrsACE2可以作为治疗COVID-19的抗病毒药物。
一般来说，接种疫苗无疑是对抗COVID-19大流行的最佳选择。如果能够实现全民接种，将在人群中建立免疫屏障，有效阻断SARS-COV-2的持续传播。然而，目前临床研究的数据无法确定COVID-19 疫苗保护的持续时间，也没有疫苗可以实现100%的保护。少数人甚至从疫苗接种中没有起到保护作用，或者仍然被感染，这与疫苗本身的特性和接受者的个体健康状况有关。
因此，基于其他科学常识的疗法也是未来可行的选择，例如干细胞疗法。此前，干细胞治疗曾尝试用于重症H7N9禽流感患者，并取得了良好的效果。即使药物杀死并击退病毒，它们也可能损害肺部，导致后遗症。但是，干细胞疗法如果有效，可以修复肺，可以移植新肺，从而完全恢复呼吸功能。近期，大量初步研究表明，干细胞在治疗重症 COVID-19 疾病方面表现出安全性和有效性，显示出良好的潜力。
除了大量的体内外研究外，迄今为止，国际临床研究注册网站（clinicaltrials.gov）上针对COVID-19的临床试验已超过100个，且大部分申请项目都集中在靶点上关键 COVID-19 患者的人群。干细胞来源于脐带、脐带血和牙髓等组织，其中以脐带间充质干细胞最为常用。hUC-MSCs丰富且制备方便，被认为具有抑制炎症反应、改善受损组织筑巢和修复的功能，在自身免疫性疾病的治疗中发挥重要作用。
正如本研究前面提到的，异基因间充质干细胞已基本用于治疗 COVID-19 患者，并且没有观察到与MSC给药相关的严重不良事件。一方面，MSCs 输注后，MSCs 能够增加淋巴细胞和调节性DCs的数量以提高其抗病毒能力，从而下调炎症和ROS的主要标志物水平，以减少炎症和氧化应激，如C -反应蛋白和促炎细胞因子，包括 IL-6、TNFα、IL-8，同时，浸润的免疫细胞数量显着减少。
间充质干细胞能够增加淋巴细胞和调节性DCs的数量以提高其抗病毒能力，从而下调炎症和ROS的主要标志物的水平，以减少炎症和氧化应激，如C反应蛋白和促炎细胞因子，包括IL-6、TNFα、IL-8。另一方面，MSCs 可以增加IL-10的水平，IL-10作为一种抗炎蛋白激活调节细胞，如Tregs [118 ]，并降低 TNF-α 和 IL-12 的表达水平。此外，还有多个项目将免疫细胞或抑制性药物与干细胞治疗干预相结合，也有使用干细胞衍生的EXOs进行雾化吸入治疗的新干预方法。
传统的病毒研究工具是细胞系或实验动物，但它们无法有效模拟COVID-19的感染过程和体内的真实机制。干细胞诱导的类器官能更好地反映SARS-CoV-2对人体组织的影响，因为它们类似于真实组织，生长后含有多种细胞类型，体外培养周期短。上述研究表明，类器官已成为研究新型冠状病毒的有力工具。近年来，类器官技术发展迅速，广泛应用于器官发育研究、疾病模型构建、药物筛选和个体化医疗等方面。
然而，不可忽略的是，用干细胞治疗 COVID-19 仍面临许多困难和挑战。由于干细胞疗法仍处于研究阶段，迄今为止批准的干细胞疗法很少，其中少数是用于交感神经用途的实验性疗法。同时，干细胞疗法治疗COVID-19仍需克服诸多技术难题。
首先，目前COVID-19的感染率有所上升，但无病和轻症患者的数量在增加，导致临床重症患者病例减少。因此，招募患者进行临床试验更加困难。
其次，干细胞疗法仍缺乏临床前实验数据，尤其是来自 SARS-CoV-2 感染引起的肺损伤动物模型的数据。
第三，干细胞的活性和纯度可能会在不同的生产批次中发生变化，从而影响最终的疗效。
第四，不同组织来源的干细胞的治疗效果可能会有很大差异。此外，干细胞和类器官的体外培养条件也是影响临床试验的重要质量控制条件。
总体而言，虽然干细胞的临床研究仍处于起步阶段，但随着干细胞临床研究的不断探索和数据的不断挖掘，干细胞治疗具有广阔的临床应用前景和深远的意义。我们也希望干细胞疗法的不断改进能够拯救更多的COVID-19重症患者，挽救更多的生命。