全球间充质干细胞治疗发展趋势概述
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撰文｜摩西
编辑｜南风
来源｜细胞PRO
声明：本文仅作为公益科普，拒绝商业用途，亦不作为任何建议。
前言 /
人类间充质干细胞(MSCs)亦称为间充质基质细胞或药物信号传导细胞，是再生医学领域研究涉及的一类重要成体干细胞。间充质干细胞还具有免疫调节和归巢等特性，从而影响受损组织的微环境，增强组织修复，为细胞治疗的发展提供广阔的前景。
间充质干细胞作为成体干细胞在临床试验中得到广泛应用并不奇怪，为了更好地了解间充质干细胞在临床应用中的现状，本文对全球进行的间充质干细胞临床试验的报告数据进行全面的回顾。
细胞王国·主编/ 摩西
细胞生物技术公益科普者
推广生命科学的通识认知
成体干细胞是存在于部分或完全分化的产前，胎儿，成人组织中的多能干细胞，例如间充质干细胞(MSCs)(发现于胎盘，脐带，脐带血，脂肪组织，骨髓，牙髓和其他组织) ，造血干细胞(HSC) ，肌肉干细胞(MuSCs)。
在本文中，重点介绍间充质干细胞。MSC来源广泛，如脂肪组织[19] ，羊水[20] ，骨髓[21] ，牙髓[22] ，外周血[23] ，脐带[24]和脐带血[25]。
iPSC衍生的MSC能够有效地生成骨和软骨，但致瘤性和成脂能力较低[26,28]。iPSC衍生的MSC (iPS-MSC)可以结合可生物降解的3D材料和纳米材料，用于组织工程研究[28]。iPS-MSCs也是一种有临床前景的细胞来源。
国际细胞治疗学会(ISCT)建立了独特的标准，适用于从不同来源分离的所有间充质干细胞[29]。
根据间充质干细胞的ISCT标准，真正的人类间充质干细胞样细胞必须表达某些MSC阳性表面标志物5’-核苷酸酶(CD73) ，Thy-1(CD90)和Endoglin (CD105)，不表达巨噬细胞标志物 CD14，HSC标志物CD34，淋巴细胞标志物CD45，B细胞标志物 CD19，B细胞抗原受体复合物相关蛋白α链（CD79a）和MHC II类细胞表面受体HLA-DR。
间充质干细胞还必须表现出在体外的成脂肪，成骨和软骨的能力[29]。除此以外，间充质干细胞还分泌有利于组织重塑和修复的生物活性因子，发挥其免疫调节特性。
间充质干细胞的再生特性使它们成为临床试验中涉及最广泛的成体干细胞。
根据美国国立卫生研究院( https://clinicaltrials.gov/)研究人员发起的注册数据，在过去十年中，临床试验使用间充质干细胞的细胞疗法有了迅速的发展。以MSC为基础的临床试验的数量在过去五年中翻了一番。
截至2021年7月14日，已有1014项以间充质干细胞为基础的临床试验在 clinicaltrials.gov 数据库中注册，这些试验已经完成或正在进行中。
MSC命名法简史
Owen在1988年定义的骨髓基质细胞[31] ，Arnold Caplan 在1991年定义间充质干细胞(MSC)[32]，在2005年由 ISCT 的一组科学家定义为间充质基质细胞[34]，以及 Arnold Caplan 在2017年定义的药物信号传导细胞[35]。
间充质干细胞(MSCs)改名为药物信号传导细胞的呼吁源于对其作用机制的深入了解。在胚胎和胎儿阶段，MSC来源于中胚层，并且可以产生骨骼组织，如软骨，骨，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的MSC的再生能力，表明这些细胞可以在体外进一步分化成基质细胞如脂肪细胞，软骨细胞，成肌细胞和成骨细胞[36,37,38,39]。
然而，在大多数基于间充质干细胞的细胞疗法中，间充质干细胞通过分泌营养因子而不是通过分化成某一类细胞来促进组织修复和再生。
2017年至2021年(根据PubMed，2021年11月) ，有超过27,000篇科学论文以“间充质干细胞”的名义发表，而只有4,000篇以“间充质基质细胞”发表，29篇以“药用信号细胞”发表。
MSC的来源
MSC的一个主要优势是临床应用广泛。可以从胚胎、产前、胎儿和成人组织中分离出来，并且可以在特定的培养条件下产生多个谱系。
出生后分离的间充质干细胞主要来源于脐带和胎盘组织。来自成人组织的MCS主要来源于骨髓[21]和脂肪组织[19]。骨髓来源的MSC (BM-MSC)在20年前是最常见的来源，但脐带来源的MSC (UC-MSC)和脂肪组织来源的 MSC (AT-MSC)也被广泛探索。
自体BM-MSCs和AT-MSCs的应用，必须考虑到患者的健康状况，年龄，性别，体细胞突变等因素，包括采集BM-MSC 和 AT-MSC的所带来的创伤。UC-MSCs、 AT-MSCs、牙髓和其他来源的MSC的深低温保存在发达国家已经完成商业化。
从不同来源分离的间充质干细胞表现出不同的特征，例如，与BM-MSC和 AT-MSC相比，UC-MSC显示出更高的增殖能力、寿命和分化能力[41,42,43]。UC-MSCs 衍生的营养因子和囊泡的治疗作用目前正在广泛的研究。
除了组织来源的 MSC之外，从多能干细胞(ESC和iPSC)产生的功能性MSC[26,28,45]，一个巨大优势是可以利用体外二维或三维培养系统产生大量的细胞，这是细胞治疗的重要标准（规模化生产）。
不同来源的MSC临床试验概述
MSC的作用机制
最初，人们认为间充质干细胞的治疗效果归因于它们的迁移和定植的归巢能力。但后来经大量研究表明，MSCs 发挥再生作用，主要是由于其分泌的营养(再生)因子介导细胞间通讯，调节细胞增殖/分化和抗炎特性[46,47,48,49,50,51]。
通过产生细胞外囊泡(EVs)、细胞因子和生长因子，间充质干细胞显示出调节适应性和先天免疫系统的潜力。这些发现得到了体外和体内实验以及临床数据的支持，显示了免疫细胞和间充质干细胞之间复杂的相互作用。
间充质干细胞的免疫调节功能是通过分泌的旁分泌因子如β-成纤维细胞生长因子(bFGF) ，胰岛素样生长因子(IGF-1) ，血管内皮生长因子(VEGF) ，表皮生长因子(EGF) ，金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP-1) ，神经营养因子(BDNF)[52]，或通过与各种免疫细胞如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)和嗜中性粒细胞的直接细胞间通信，刺激或抑制其免疫应答[53,54,55,56,57]。
间充质干细胞还有一种特殊的功能，称为“免疫系统的传感器和转换器”。当免疫系统不活跃时，这个功能可精确的控制开关来促进炎症，或者当免疫系统过度活跃时，去控制炎症[53]。
间充质干细胞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。间充质干细胞与免疫细胞之间的几种协同通讯在间充质干细胞的临床应用中起着重要作用。
例如，MSC可以抑制CD4 + (辅助)和CD8 + (细胞毒性) T细胞[58] ，通过细胞间接触影响B 细胞功能[59] ，抑制NK细胞的增殖和细胞毒性，以及通过细胞通讯增加调节性 T 细胞(Tregs)产生可溶性因子[60,61,62]。MSCs还表达几种表面粘附分子，包括与T 细胞具有高亲和力的整联蛋白，血管细胞粘附分子蛋白(VCAM-1) ，细胞间粘附分子(ICAM-1，ICAM2) ，CD72和CD58(LFA-3) ，它们在免疫抑制中起重要作用[63]。
一些临床前和临床试验表明，尽管MSC和调节性 T 细胞(Tregs)是两种不同的细胞类型，但它们具有共同的特性，如抑制或调节有害的免疫应答。Tregs 是调节免疫反应、预防炎症或炎症反应的抑制性 T细胞[64]。通过研究 BM-MSCs 输注对小鼠胶原抗体诱导的关节炎的影响，Nam等人发现 MSCs 可以迁移到发炎的组织并促进CD4 + T细胞向Treg的分化[65]。
Reux及其同事报道了类似的发现，当与人诱导的多能干细胞衍生的MSC (hu-iPS-MSCs)体外共培养时诱导功能性CD4 + FOXP3 + Tregs。当huiPS-MSCs在人源化小鼠模型中施用时，这些发现在体内研究中得到了证实[66]。
Wang及其同事静脉输注同种异体 UC-mSCs治疗了30例红斑性狼疮患者，并报道了Tregs百分比显著升高[71]。重要的是要强调，虽然有针对MSCs和Treg的临床试验，但是 MSCs/Treg 相互干扰的机制仍然没有得到很好的理解。需要更多的随机、安慰剂对照的临床研究来确定在何种条件下，MSCs 给药可以诱导 Treg 分化和扩增。
分泌素(营养因子)
间充质干细胞可以分泌生长因子、趋化因子、细胞因子、细胞粘附分子、白细胞介素、激素、胞外囊泡、脂质、蛋白质、微小 RNA 等生物活性分子，以改造组织微环境。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，具有促进再生的作用[52]。
越来越多的研究表明，MSCs 的许多治疗效果可能是细胞外囊泡（MSC-EV）等活性因子的分泌结果[81,82]。
异质性
众所周知，不同组织的 MSC 表达组织特异性基因，并表现出各种分化潜能[84,85,86]，所以MSC存在异质性。比较不同组织来源的间充质干细胞的治疗效果，是非常有意义的。探索间充质干细胞的异质性具有重要的临床价值，这取决于多种因素，包括供体和组织来源、供体的健康状况、细胞异质性、移植方案以及用于分离、培养、深低温保存和解冻的试剂。
除了组织来源之外，由于性别、年龄、遗传学和健康状况的差异，从不同个体分离的 MSCs 可能具有不同的特征[95,96,97,98]。
MSC的临床试验综述
全球趋势
自1995年第一次报告以来，已注册的临床试验显著增加。在第一个十年(从1995年到2005年) ，只有9个注册的临床试验。从2006年到2015年，全世界的临床试验增加了500个，2016-2022年间报告了几乎相同数量的新项目，其中53个试验在2021年开始登记，2022年有2个。值得一提的是，2020年临床试验数量迅速增加。通过更精确的分析，大多数 MSC 的临床试验(n = 65)都涉及治疗2019冠状病毒疾病。
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。许多这些临床试验是在不同国家的不同中心之间进行的，这强调了国际合作的重要性。
在介入性研究中，中国的研究小组注册了289项研究，其次是美国(192) ，韩国(70) ，西班牙(69) ，伊朗(39)和其他国家。
在观察性研究中，11个来自美国，8个来自韩国，5个来自中国，3个来自意大利，2个来自德国，1个来自白俄罗斯，加拿大，哥伦比亚，埃及，法国，西班牙，土耳其和泰国。在中国进行的大多数研究是介入性的。
在所有注册的临床试验中，28项为早期I期，250项为I期，341项研究为I期/II期，183项研究为II期/III期，255项研究为II期/III期，31项研究为III期，4项研究为IV期临床试验。
在III期的31项临床试验中，欧洲和以色列的近50家医院进行了一项双盲研究(NCT01541579) ，研究了212例克罗恩病和肛周瘘患者同种异体脂肪来源的干细胞(Cx601)。一年后，随访研究表明，与安慰剂相比，Cx601是安全有效的。这项临床试验的结果于2018年发表。治疗几年后需要更多的临床后研究观察[116]。
另一项关于脐带来源的间充质干细胞治疗视网膜色素变性的临床研究（NCT04224207）。该研究证实，脐带MSCs 移植是安全有效的，可以减缓或阻断疾病进展[117]。
在所有注册的临床试验中，有55,733名注册参与者，18,215名通过中国进行的临床试验招募，其次是美国(15,411) ，韩国(2,518) ，西班牙(2,348)和其他国家。
注册的MSC临床试验现状概述，所有数据于2021年7月14日获得。
各国家MSC 的临床试验参与者人数概览。数据收集于2021年7月14日。
MSC移植方法
MSC临床试验中常见的移植方法包括：静脉注射、皮下注射和腹腔注射。心脏内注射主要用于心血管疾病，而关节内注射用于膝关节损伤和骨关节炎，神经系统疾病涉及到蛛网膜下腔注射。这三种施治方法都需要专业医生的精确操作。
在大多数试验中，除了采用静脉回输方法外，MSC均在病变部位定向给药。Lalu及其同事提供的一份系统性综述，对1000多名患者进行了全面的荟萃分析，证实了 MSCs 给药与急性炎症相关毒性、器官衰竭、感染、恶性肿瘤或死亡发展之间没有生物学联系，证实了静脉注射是安全可靠的[119]。
在后来对参与70项临床试验的1400多名患者进行的研究中，脂肪来源的MSC疗法被证明是安全的，并且在第一次给药后3年的随访中仅报道了少量副作用[120]。根据纽约心脏协会功能分类[121] ，在II类心力衰竭患者心肌内基质血管注射4周后，报告了一例肺部栓塞的严重病例。
细胞剂量、移植频次、移植间隔周期，是MSC 给药的考量因素。许多临床试验中报道的剂量取决于注射途径[123]。MSC的剂量通常取决于患者的病情。在MSC 临床试验中，通常以细胞/公斤体重(0.5-12×106个细胞/kg单剂量)来描述。同种异体间充质干细胞移植剂量可能高达1×108个细胞。
在一项MSC给药一年后进行的随访研究中，在脓毒症、用药禁忌冠状动脉疾病、肛周瘘、小脑萎缩症、类风湿性关节炎或严重骨关节炎患者中没有发现严重的不良反应[116,124,125,126,127,128]。还有一些报道移植超过2×108个 MSC。
也有文献表明，如果没有严重的副作用，可逐渐增加MSC的移植剂量[129]。许多早期的 MSCs 试验只给予一个剂量，以简化程序和降低成本。但一些慢性适应症，如骨关节炎和慢性肝功能衰竭需要多剂量，以确保有效的治疗。
有几项研究证实，剂量调整和间隔周期必须精心设计。例如，在一项研究(NCT02223897)中，66名患有缺血性胆管病变的患者在第一个月每周一次，每月一次，持续6个月(共9次) ，剂量为1×106个细胞/kg 体重。另一项注册号为 NCT01933802的clinicaltrials.gov 研究，在20名非进行性多发性硬化症(MS)患者中使用 BM-MSCs 衍生的神经祖细胞，3个月内分3个剂量，最多1×107个细胞/次。酒精性肝硬化(NCT01875081)研究中，每年注射两次MSCs[130]。
静脉注射是临床治疗中最常用的方法。在动物模型的研究中表明，通过静脉注射移植的细胞将在肺中累积，并且由于遇到肺截流，多数细胞不能迁移到其他器官[132,133,134,135]。
例如，Eggenhofer 及其同事发现，在最初的几个小时内，60%静脉注射的间充质干细胞在小鼠肺部聚集，并且随后没有迁移到肝脏。随后的研究表明，MSC可能被免疫细胞清除[134]。Higashimoto等[135]对ConA诱导的肝炎小鼠模型进行的另一项研究表明，静脉注射的 GFP 标记的MSC仅在肺中累积，而不在肝中。此外，庞等人的进一步研究显示，静脉注射的 MSCs 在小鼠的肺中迅速发生凋亡，表明免疫细胞诱导MSC调亡的患者，对MSC的治疗产生响应[136]。
总之，在选择最佳的MSC移植剂量和给药方法之前，必须在临床前研究中进行评估，并彻底评估患者的状况、疾病进展程度、治疗方案和潜在的风险。
MSC治疗临床实例
MSC 临床试验的数量在过去两年中迅速增加。大多数注册的间充质干细胞临床试验是用于治疗2019冠状病毒疾病。虽然部分试验已经公开了研究结果，可以肯定的是MSC 治疗是一种安全有效的方法[145]。
MSC 治疗性临床试验数量最多的健康问题是肌肉骨骼疾病，全世界有212个试验。其次是神经科和呼吸科，临床试验数量分别为163和117。其他涉及 MSC 临床试验包括免疫疾病、心脏病、肝病。
肌肉骨骼疾病
一项全球疾病负担研究显示，到2020年，全世界有超过17.1亿人患有肌肉骨骼疾病[146]。基于间充质干细胞的细胞疗法可以为老年人或受伤患者提供骨和软骨再生。此外，间充质干细胞的免疫调节能力可以缓解与骨变性相关的炎症症状[147]。
最常见的肌肉骨骼疾病治疗的MSC试验是骨关节炎。骨关节炎是一种伴有炎症和疼痛的退化性关节炎。目前，还没有明显有效的药物，可以恢复关节的结构和功能。骨关节炎的常见治疗方法往往局限于症状和疼痛控制，而不是长期治愈[148]。因此，骨关节炎的治疗是间充质干细胞为基础的临床试验中最集中的肌肉骨骼疾病之一。
CARTISTEM是由同种异体脐血衍生的间充质干细胞和4% 透明质酸水凝胶(NCT01041001，NCT01626677)组成的MSC产品。作为一种治疗骨关节炎患者膝关节软骨缺损的有前途的药物，于2012年在韩国 MFDS 监管机构批准下进入市场。
Lim 及其同事描述了CARTISTEM III 期多中心随机48周临床试验和2021年延长5年临床随访的结果[149]。这项临床试验招募了103名 ICRS (国际软骨修复学会)4级的参与者。参与者被随机分为两组，比例为1:1，包括 UCB-MSC-HA 组(50名参与者)和微骨折组(53名参与者)。
主要评价结果是在48周关节镜检查时 ICRS 评估至少达到1分的参与者。UCB-MSC-HA 组有97.7%达到主要疗效，而微骨折组有71.7% 达到主要疗效。UCB-MSC-HA 组在活检组织学评估中得分较高。两组治疗48周后 VAS 和 WOMAC 评分均有显著改善。在5年的随访研究中，UCB-MSC-HA 组 ICRS、VAS和WOMAS的积极作用保持不变。
神经系统疾病
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，而且哺乳动物神经元的再生潜能有限。脑部和脊髓的创伤性神经损伤有很高的致残率和死亡率，并可能诱发认知和行为障碍等症状[153]。
先前有报道说 BM-MSCs 可以穿过血脑屏障而不受任何损伤[154] ，迁移到损伤部位，并通过产生神经营养因子来改善和促进神经元再生。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)和肌萎缩性嵴髓侧索硬化症(ALS)在老年人中更为常见，其患病率随着预期寿命的增加而增加[157]。
临床前和临床试验研究使用各种来源的间充质干细胞治疗 AD [158,159] ，PD，MS和AML。这些疾病是由于老化导致的神经元中异常蛋白质聚集而引起的[160,161]。
使用间充质干细胞治疗神经系统疾病的163项临床试验已在 clinicaltrials.gov 数据库中登记。尽管许多注册的临床试验已经用在AD 患者(NCT01297218，NCT01696591，NCT02054208，NCT03172117，NCT03117738，NCT04228666，NCT02600130，NCT04855955)中使用 MSC 或 MSC-EV 产品，但是很少有正式完成实验并公布结果的[159]。
使用 MSC 方面有许多挑战需要解决，包括在前期和临床试验方面的改进，如建立有效的动物模型以及细胞注射数量和递送路径的优化[162]。
一项使用人胎盘间充质干细胞的1b 期研究显示，16名患者静脉注射是安全的，大多数患者在治疗后病情稳步改善[166]。Fernandez 的另一项研究将不同剂量的AT-MSC 注射到19名 MS患者和11名对照组受试者中，在安全的基础上显示出有益的临床效果[167]。Riordan 及其同事使用多次输注方案将 UC-MSC 静脉注射到20名患者体内[168]。
研究表明，该方法是安全的。哈里斯等人进行的另一项研究注射间充质干细胞来源的神经祖细胞(MSC-NP)鞘内注射(IT)三个剂量间隔三个月。没有观察到严重的不良事件，同一组显示重复的 IT-MSC-NP 治疗的安全性和有效性维持了2年，然而，一部分患者的残疾逆转程度没有持续[170]。
新冠状病毒疾病
间充质干细胞治疗对急性呼吸窘迫症状有效，如一项临床I期试验所示（NCT04355728），使用脐带来源的间充质干细胞(UC-MSCs)治疗新冠状病毒病(ARDS)的双盲1/2a 期急性呼吸窘迫症[183]。24例患者随机分为治疗组和对照组，未观察到与 UC-MSC 输注有关的严重不良事件和死亡。治疗组有91% 的患者存活，与对照组(42%)相比有明显改善。此外，在第6天，血液分析显示，治疗组的炎症细胞因子显着降低。UC-MSCs 治疗组的恢复时间也明显缩短。这项研究表明 UC-mSCs 治疗是安全的，在治疗新冠状病毒病急性呼吸窘迫综合征(ARDS)患者方面具有潜力。
另一项临床试验(NCT04288102)也显示了 UC-MSCs 对严重新冠状病毒病患者肺损伤的积极作用。研究人员招募了101名严重患者，并按2:1的比例随机分组。66例患者在第0天、第3天和第6天静脉注射3剂4×107个UC-MSC，35例患者分别接受安慰剂输注。与安慰剂组相比，UC-MSCs 治疗组的全肺病变体积明显改善，中位数差为-13.31% 。此外，UC-MSCs 组患者的实体成分病变体积比例显著降低，中位数差为-15.45% 。治疗组6分钟的步行距离也增加了27米。这些结果表明 UC-mSCs 治疗在短期观察研究中是安全的，对于肺损伤的新冠状病毒疾病患者可能是有效的治疗方法[186]。
参考资料：暂不提供
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