抗菌与抗病毒！一文纵览传染病细胞疗法，间充质干细胞拥有一席之地
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撰文｜摩西、编辑｜南风、来源｜摩西聊科技
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导语 / Introduction
干细胞基础研究和全球 COVID-19 大流行推动了传染病细胞疗法的发展。间充质干细胞 (MSC) 因其独特的治疗潜力，在再生医学领域具有较好的应用前景。
本文的目的是系统化阐述有关间充质干细胞 (MSC) 和 MSC 衍生的细胞外囊泡 (MSC-EV) 在传染病联合治疗中应用的科学数据。
MSCs和MSC-EVs在感染性疾病治疗中的应用，具有免疫调节、抗炎、抗菌等作用，还能促进上皮修复，刺激组织再生。MSC和MSC-EV在治疗各种传染病，特别是与抗病毒药物联合使用时，具有较好的潜力。
背景
传染病是由各种病原体引起的能在人与人、 动物与动物或人与动物之间相互传播的一类疾病。根据病原体的来源可分为几种类型：病毒、细菌、真菌以及由朊病毒、原生动物和寄生虫引起的感染。历史上有许多传染病（如天花、鼠疫、霍乱、伤寒、流感等）造成毁灭性后果的例子，随后人们根据传染规模和破坏程度将其称为“瘟疫”。
随着现代医学的发展，人类的卫生状况得到良好的改善，人类自认为已经战胜了传染病，但这种想法显然是天真的。当前，COVID-19、结核病（TB）、艾滋病、疟疾、麻疹、流感等疾病在全球仍然持续活跃。
传染病的发展有几个客观条件：旅游业的快速兴起、人类迁移过程的增加、回归和重新出现的疾病，以及将各种传染病的病原体作为生物武器的可能性。由此可见，改善的社会和环境的治理有助于降低感染和传播传染病的风险，但矛盾的是，随着生活水平的提高，一些人传染疾病的死亡率也在增加。
例如，在麻痹性脊髓灰质炎或水痘的情况下，感染后的并发症（包括肺炎、急性神经系统疾病、血小板减少、水痘脑炎伴脑和脊髓髓鞘损伤等）的严重程度，直接与患者的年龄相关。抗生素的使用和人群的主动免疫接种使战胜或控制大多数感染成为可能，然而，仍有许多传染病无法治疗（艾滋病、结核病的多药耐药形式、病毒性丙型肝炎、朊病毒感染等），并导致了严重的并发症（COVID-19、流感等）。
干细胞基础研究推动了转化医学的发展，促进了各种疾病的新疗法的出现。主流之一便是细胞疗法，基于使用细胞和细胞分泌蛋白组来促进组织再生，为身体提供抗炎、免疫调节和其他治疗作用。尽管关于 MSCs 对受损组织的影响的许多生物学机制仍未得到充分研究，但目前研究人员仍在积极探索将细胞疗法用于各种疾病（包括传染病）的可能性，且不局限作为单一疗法还是与其他药物联合使用。
MSCs的分化能力和免疫调节特性。MSCs 已在临床上应用于炎症性肠病 (IBD)、肝脏疾病和心脏病患者，取得了非常令人鼓舞的结果。MSC 具有广泛的免疫调节能力。
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来源：参考资料[2]
据估计到2026年，全球干细胞治疗市场预计将增长至185.1亿美元，复合年增长率为 9.8%。这种预测主要是由于大众对干细胞治疗效果的认知度在提高，以及储存干细胞相关的基础设施的发展。全球市场上最大的公司包括 Anterogen Co., Ltd.（韩国首尔）、Mesoblast Ltd.（澳大利亚墨尔本）、Osiris Therapeutics Inc.（美国马里兰州哥伦比亚）、AlloSource（美国科罗拉多州Centennial）、Cellular Engineering Technologies（美国爱荷华州科拉维尔）、BIOTIME Inc.（美国加利福尼亚州卡尔斯巴德）、Astellas Pharma US Inc.（美国伊利诺伊州诺斯布鲁克）、Vericel（美国马萨诸塞州剑桥）、RTI Surgical Inc.（迪尔菲尔德，伊利诺伊州，美国）和 Takara Bio Company（草津，东京）。
目前，细胞疗法尚未广泛使用和推广，这与其成本高、个体状况差异化以及细胞的使用策略有关。然而，由于同种异体细胞的培养工艺不断优化使成本下降以及同种异体治疗产品商业化的增加，促进了对同种异体细胞的需求量不断增大。
临床研究中最常用的同种异体干细胞包括：骨髓间充质干细胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSCs)）、脂肪组织（adipose tissue-derived mesenchymal stem cells (A-MSCs) )、脐带(脐带血来源的间充质干细胞(UC-MSCs))和胎盘）)。现有数据支持自体和同种异体 MSC 治疗的安全性。尽管关于细胞治疗有效性的证据往往是初步的，但MSCs因其低免疫原性以及易获取和规模化生产等优势，缩短了从细胞工厂到床旁应用的半径。
MSC和MSC 衍生的细胞外囊泡 (MSC-EV)
“成体”MSCs的概念最早由Kaplan提出，是根据胚胎中胚层细胞起源的概念出现的。尽管严格意义上它并不符合MSC 的生物学定义 ，但该术语至今仍被临床医生和科学家广泛使用。由于这些细胞几乎可以从任何组织中分离出来，因此有人提出来自不同来源的MSC可能具有差异性，可以将它们组合成一个单一的分类（表1）。
表 1. 常用的 MSC 来源。
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关于MSCs 治疗效果的初期临床前数据主要集中在细胞的再生和分化能力上。目前越来越多的证据表明，MSC的许多积极作用与其旁分泌活性、EVs分泌组、可溶性蛋白、细胞因子、趋化因子和生长因子有关。已发现 MSCs 通过产生可溶性因子和转移含有各种分子的 EVs，在许多感染性疾病中发挥免疫调节作用。
MSC-EV 与其亲本细胞具有相同的免疫调节和抗炎等作用，并概括了 MSC 治疗所显示的广泛效果。各种 MSC 或 MSC-EV 与免疫细胞相互作用的机制不同。来自不同类型MSC的EV具有相似且独特的特征（表2）。
表2. MSC 和 MSC-EV 对免疫细胞的影响机制。
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来源：参考资料[1]
目前，大多数MSC治疗病毒和细菌感染性疾病的临床试验都集中在对COVID-19、艾滋病和结核病等传统药物治疗无反应的患者身上。体外和体内临床前研究的结果表明，MSC-EV 在身体的许多病理生理条件下也表现出显着的治疗特性，可以恢复受损的器官和组织，而不会发生与细胞移植直接相关的风险（即免疫原性、致瘤性和畸胎瘤形成）。
MSC-EVs 在疾病治疗中的应用是一个新概念，与细胞疗法相比具有特殊优势。MSC-EV 具有良好的耐受性和低免疫原性，并且具有比 MSC 更稳定的膜结构。MSC-EV 相对于 MSC 的另一个优势储存时间较长，从而满足安全运输和延迟治疗使用。EVs的这些优势为疾病治疗提供了更广阔的前景。
细胞外囊泡 (EV)
细胞外囊泡（extracellular vesicles,EV）是一种由不同类型的细胞释放到细胞外基质的膜性小囊泡，其功能是参与细胞间的分子运输。EV介导细胞间通讯并参与许多生理和病理生理过程，包括调节免疫反应、维持免疫平衡、抑制炎症、促进血管生成等（图1 ）。
图1. MSC-EV 释放的分子。MSC-EVs 含有细胞因子、生长因子和其他维持调节免疫反应的活性分子，具有抗炎、抗病毒/抗菌作用，并促进上皮修复和组织再生。
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来源：参考资料[1]
根据EV的来源和大小，它们分为各种亚型：胞外体、微泡、微粒、外泌体、癌小体、凋亡小体等。为了避免定义上的矛盾，国际细胞外囊泡学会（International Society for Extracellular Vesicles，ISEV）于 2018 年提出，将细胞分泌的颗粒称为“细胞外囊泡”。
EV 的再生潜力主要通过细胞凋亡、细胞增殖、分化、血管生成和炎症的调节来解释。EV 治疗效果的确切机制仍有待完全阐明。不同来源的 MSC-EV 具有很大的异质性，在蛋白质、细胞因子、核酸、脂质、mRNA、microRNA 和其他活性成分的定性和定量方面存在显着差异。
EV 的旁分泌作用可通过三种机制介导，包括内化、直接融合和与靶细胞的配体-受体相互作用。借助上述途径，EVs 传递各种生物分子，并参与抑制和/或诱导靶细胞中的信号传导。
应用组织工程方法提高 MSCs 和 MSC-EVs 的治疗效果
细胞治疗的有效性受多种因素的影响：如给药方法、多样性、稳定性、在靶组织中的保留效率、异质性、囊泡含量等。
MSCs 的积极作用可以通过多种方式进一步增强，例如，通过改变培养方法（在缺氧条件下与常氧条件下相比）或培养形式（2D或3D 培养），以及将细胞暴露于各种微环境的影响（例如，热休克），或基因改造等。 已有研究表明，经过预处理的MSC表现出更高的分化效率、改善的旁分泌功能、出色的存活率，以及增强的EV在受损组织中积累和保留的能力。
3D培养的 WJ-MSC 的活性显著增加。
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来源：参考资料[4]
另一种可以提高细胞治疗效率的方法是使用各种生物材料，以及在细胞片中培养细胞。
各种方法也可用于增强 MSC-EV 的治疗效果：预处理供体细胞以增加EV的有益含量，使用转基因细胞改变EV的组成，以及适当的剂量和多次应用。然而，这些方法中的每一种都有其缺点，例如，使用预处理培养基不能产生高产量的 MSC-EV等限制因素。
延伸阅读：《实现“定制化”间充质干细胞治疗：基因改造和预激活》
MSC与病毒性传染病
在过去的几十年里，大量的实验和临床研究致力于使用细胞疗法治疗肿瘤、心血管、神经退行性疾病和其他疾病。干细胞基础研究和全球 COVID-19 大流行促进了传染病细胞疗法的发展，目前已有121项注册临床试验。
新冠肺炎
新冠状病毒和其他呼吸道病毒是导致急性肺损伤 (ALI) 和急性呼吸窘迫综合征和死亡的主要原因。尽管科学进步使人们在理解发病机制和开发治疗剂方面取得了快速进展，但干细胞疗法最近在病毒感染的治疗研究中显现出很多价值。
由COVID-19引起的严重疾病伴随着免疫功能的过度激活，除了抗病毒保护外，还会导致副作用——肺组织和其他器官受损。迄今为止，已有多项研究提出使用MSCs治疗COVID- 19引起的肺炎。MSCs 已被证明可以减少炎症和抑制病毒感染。在ALI小鼠模型中，显示了MSCs 抗炎作用，从而改善了肺功能，合成角质形成细胞生长因子 (KGF)、VEGF 和 HGF 以修复受损的上皮细胞和肺组织。（图 2）
图2. 用于治疗冠状病毒引起的肺损伤的MSC疗法。
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来源：参考资料[1]
严重 COVID-19 病例中器官损伤的一个主要因素是细胞因子风暴。由于具有强大的免疫调节能力，MSCs不仅可以抑制细胞因子风暴，还可以促进内源性再生机制的激活。同时，MSC-EVs能够进入血流，长距离迁移并通过组织血液屏障，在细胞间通讯的实施中发挥着重要作用。
人脐带间充质干细胞治疗重症COVID-19。与对照组相比，hUC-MSC 组干细胞输注第 3 天起 C 反应蛋白和 IL-6 水平显着降低。干细胞输注第7天开始，淋巴细胞计数恢复到正常范围的时间明显快于对照治疗组。
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已有多项临床研究表明，MSC-EV 能够降低各种形式的 COVID-19 的炎症因子水平和增强免疫力（NCT04384445，美国；NCT04276987，中国；NCT04491240，俄罗斯）。目前正在进行两项临床试验：一个研究组 (NCT04276987) 正在研究使用源自 A-MSC 的 EV 吸入治疗 COVID-19 肺炎的疗效，第二个 (NCT04313647) 正在评估它们在健康志愿者中的安全性和耐受性。
延伸阅读：《外泌体雾化能改善小阳人的呼吸道症状？三地学者做了一项研究》
由于 MSC-EV的特殊结构，可以作为各种药物的载体，通过递送作用治疗病毒感染。此外，与单克隆抗体疗法等其他类型的治疗相比，获得和使用 MSC-EV的经济成本要低得多，这在大流行期间时很重要。正在进行的临床试验强调了使用MSC和MSC-EV治疗COVID-19 患者的潜在益处。
流感
目前，流感的主流治疗包括抗菌药物和抗病毒药物的使用。对感染流感病毒的动物模型的几项研究表明，使用各种组织来源的MSC具有积极作用。BM-MSCs 与 H5N1 病毒感染的 AECs 共培养可抑制其在体外条件下的渗透性。体内实验表明，BM-MSCs 通过增加巨噬细胞数量和释放多种细胞因子和白细胞介素（IL-1β、IL-4、IL-6、IL-8 和 IL-17）具有显着的抗炎作用。
使用另一种由 H9N2 病毒引起的肺损伤模型同样显示出类似的抗炎作用。将 BM-MSC 悬浮液静脉注射到病毒感染的小鼠体内，可通过降低趋化因子（GM-CSF、MCP-1、KC、MIP-1α 和 MIG）和促炎因子 IL- 1α、IL-6、TNF-α 和 IFN-γ。使用由 H5N1 病毒引起的肺损伤的体外模型，人 UC-MSCs 通过分泌 Ang1 和 HGF，具有与BM-MSCs 相同的抗炎作用。
在一项针对 H7N9 流感病毒引起的肺损伤患者的临床研究中，MSCs 的使用没有引起副作用，并显着提高了他们的存活率。尽管数据表明 MSCs 在各种肺损伤临床前模型中具有治疗效果，但一些研究表明，在使用细胞疗法时，需要考虑到供体和受体的状况。当将 MSCs 施用于患有持续疾病的患者时，细胞可能会感染流感病毒，而来自感染流感病毒的供体的 BM-MSCs 移植反过来也会将感染传播给接受者。因此，在使用细胞疗法治疗肺部流感时，必须考虑这些因素并注意安全性。
艾滋病
人类免疫缺陷病毒 (HIV) 是由慢病毒属的逆转录病毒引起的。它会影响表面具有 CD4 受体的免疫细胞：T辅助细胞、单核细胞、巨噬细胞、朗格汉斯细胞、树突状细胞和小神经胶质细胞。免疫系统受到抑制，获得性免疫缺陷综合症（艾滋病）发展，患者的身体失去了抵御感染和肿瘤的能力。在 3500万感染HIV的人中，一小部分人由于接受了抗逆转录病毒治疗而幸存下来，但如果没有这种治疗，平均会在感染后9-11年死亡。目前已知有3例治愈该病毒的病例。在医学文献中，他们以“柏林”、“伦敦”和“圣保罗”患者的名字出现。
“柏林病人”-蒂莫西·雷·布朗 (Timothy Ray Brown)，在接受了携带 CCR5 基因突变的干细胞移植后，体内HIV病毒被消除。
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来源：参考资料[3]
使用干细胞，特别是BM-MSC 治疗 HIV 和 AIDS 的是一种比较新的视角。最有趣的研究之一集中在使用 MSCs 来提高抗病毒免疫活性和减少病毒数量。已经表明，即使在没有抗病毒药物的情况下，施用 MSCs 也可以增强宿主的抗病毒反应，恢复淋巴滤泡和粘膜免疫。科学和临床研究的结果为未来将MSCs用于治疗HIV和其他传染病提供了合适的科学依据，研究人员仍在开发针对艾滋病及相关病症的全面有效的治疗方法。
细胞疗法最初只用于受病毒感染性疾病（COVID-19、流感和艾滋病）影响最严重的患者，大多数临床试验也都集中在这些患者身上（表3）。
表3.基于 MSC和MSC-EV的病毒感染性疾病临床试验
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来源：参考资料[1]
MSC与细菌性传染病
结核
结核病 (TB) 是全球十大死因之一。根据世界卫生组织2021年的数据，全球有超过990万人感染结核病，约130万人死于结核病。COVID-19大流行扰乱了全球结核病的防控。近50万人已感染耐利福平结核菌株，其中78%具有多重耐药性。在这方面，实际的方向是寻找治疗耐药结核病的根本性新方法，而MSC疗法占据了一定的位置。
一旦进入下呼吸道，分枝杆菌（结核分枝杆菌 (µTb)）主要被巨噬细胞吸收。在这种情况下，由此产生的炎症反应募集大量免疫细胞（单核细胞、树突细胞、中性粒细胞和T淋巴细胞）被吸引到感染区域，导致结核性肉芽肿（TG）的形成，这是一种TB 的病理体征。
通过免疫调节特性以及促进受损组织自我修复的能力，使MSC成为治疗肺结核和肺外结核的理想候选者。许多研究表明，MSC的治疗潜力与其分泌抗菌肽来发挥对各种病原体（大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌）的抗菌活性有关。
hMSCs 及其产物对肺炎链球菌生长的影响。骨髓来源的 hMSC 上清液减少了肺炎链球菌CFUs增殖，hMSC 上清液与抗生素的组合对降低肺炎链球菌生长具有增强作用。
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MSC 和 MSC-EV 对免疫系统的各种细胞具有广泛的免疫调节作用：它们促进调节性 T 细胞（Treg 和 Th2）的功能、抑制 IFN-γ 的释放、调节平衡Th1/Th2，通过 IDO 的表达和CD39和 CD73/腺苷信号通路的激活促进巨噬细胞从M1极化到M2，并抑制激活和促进B 细胞转化。此外，MSC 能够通过分泌保护细胞免于凋亡的因子 KGF 和 HGF 来调节肺泡上皮细胞的存活。
许多研究表明，在低浓度下，MSCs 可以抑制淋巴细胞的活化。因此，间充质干细胞与免疫细胞数量的比例可以成为抑制或激活免疫反应的转折点。总体而言，MSCs 在体内获得的结果令人鼓舞，但 MSCs 在治疗结核病中的安全性和有效性仍有待证实。
霍乱
霍乱弧菌 (Vibrio cholerae, VCh) 是霍乱的病原体。据世界卫生组织数据，全球每年有130万至400万例霍乱病例，每年10万至13万人死于霍乱。发展中国家出现的多重耐药性 VCh 菌株引起了极大的关注。霍乱弧菌与上皮细胞相互作用引起的炎症被认为是细菌在胃肠道中传播及其后果进展的主要原因。降低由 VCh 感染引起的炎性细胞因子水平，可能是一种有效的治疗方法。
MSCs 通过合成抗菌肽 (hCAP18/LL-37) 等化合物发挥其抗菌特性，这些化合物控制细菌的生长和繁殖。一项使用新生小鼠模型的研究表明，用补充有 LPS（保护身体免受 VCh 所必需的脂多糖）的 MSCs 调节的培养基具有免疫调节作用，可降低炎症反应水平并诱导抗 VCh 的杀弧菌抗体。此外，已证明 MSC 可有效治疗细菌性败血症。
A-MSCs 通过减少细菌附着和增加细菌内化，显示出对炎症反应和上皮屏障完整性的双重作用。一方面，A-MSCs 通过分泌各种抗菌肽（包括 IDO 和 TIMP）来减少细菌粘附和菌落形成。细菌粘附率的降低反过来会导致氯毒素表达降低和 IL-6 分泌增加，这对维持上皮屏障的完整性具有积极作用。A-MSCs 能够通过减少细菌粘附和增强细菌内化，对炎症反应和上皮屏障的完整性产生不同的影响。这种影响的可能原因是基质金属蛋白酶和组织蛋白酶抑制剂 (TIMP) 以及其他抗菌肽的高水平表达。
MSCs LPS预处理可提高脓毒症模型小鼠的存活率。
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因此，小编建议未来的研究重点放在MSCs分泌蛋白组的保护作用上。可以假设减少细菌内化也可能成为限制 VCh 引起的炎症反应的适当治疗方法，同时使用 MSC-EV 作为治疗剂可能更有效。
目前，细胞治疗细菌感染性疾病有效性的评价主要在体外和体内条件下进行。关于这个主题的临床研究很少（表4）。
表4. 基于 MSC 和 MSC-EV 的细菌感染性疾病的临床试验。
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来源：参考资料[1]
小结
MSCs 为许多疾病提供了一种有前途的治疗选择。使用MSC-EV代替细胞似乎是一种很有前途的无细胞治疗策略，因为它可以解决与细胞管理相关的各种问题。尽管如此，初步评估使用各种类型的 MSC（无论其生产来源如何）和 MSC-EV 的安全性、有效性和长期结果，是非常有必要的。
目前，正在开展的关于细胞和囊泡最佳治疗剂量和给药频率、最佳管理方法、以及细胞和囊泡异质性评估等方面的研究。MSCs 的特性在炎症或抗炎刺激下会发生显着变化，因此，变异性如何影响细胞诱导的免疫调节作用以及确定哪些细胞亚群或细胞外囊泡的治疗效果最好，还有待观察。
小编看好MSCs和 MSC-EVs ，两者都有希望成为未来传染病防治的有前景的临床工具。
参考文献
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