Смисъл на броя: Клетъчна терапия при белодробни заболявания

Брой № 1 (74) / февруари 2024, Имунология за пулмолози

Използвани съкращения:

 

АЕК – алвеоларни епителни клетки

БПД – бронхопулмонална дисплазия

ЕСК – ембрионални стволови клетки

ИБФ – идиопатична белодробна фиброза

КФ – кистична фиброза

MHC – главен комплекс на тъканна съвместимост

МСК – мезенхимни стволови клетки

ОБУ – остра белодробна увреда

ОРДС – остър респираторен дистрес синдром

ХОББ – хронична обструктивна белодробна болест

ХСК – хемопоетични стволови клетки

ALI – acute lung injury

ARDS – acute respiratory distress syndrome

Bcl-2 – B-cell lymphoma 2

IL – интерлевкин

iPSC – индуцирани плурипотентни стволови клетки

TNF-α – тумор некротизиращ фактор α

 

 

Провежданите през последните десетилетия интензивни изследвания върху стволови клетки съществено допринесоха за изясняване и по-задълбочено разбиране на физиологичните процеси на формиране, поддържане, регенерация и възстановяване на увредени тъкани и органи. Нещо повече, последните научни достижения в тази област намират пряк отзвук в клиничната практика, продиктуван от значителния терапевтичен потенциал на стволовите клетки и свързаните с него възможности за лечение на тежки социалнозначими заболявания, включително в сферата на респираторната система.

 

Най-общо стволовите клетки се определят като недиференцирани клетки с потенциал за самообновяване, диференциация в един или повече типове специализирани клетки, както и съсекстензивна пролиферативна активност. В процеса на самообновяването си, делейки се, стволовите клетки запазват морфологичните си и физиологичните си характеристики непроменени в потомството, с което се поддържа популацията им през индивидуалното развитие и живота на организма1. По този начин се обезпечава реализацията на основната биологична функция на тези клетки – съхранение на тъканната хомеостаза и възстановяване на увредени тъкани след боледуване, нараняване или стареене. При необходимост и при определени условияте се трансформират в клетки със специфични морфологични и функционални особености, характерни за конкретна тъкан или орган (процес на диференциация).

 

Според произхода си и онтогенетичния статус на организма, от който са получени, стволовите клетки се подразделят на три основни групи1:

  1. Ембрионални стволови клетки (ЕСК) – произлизат от вътрешната клетъчна маса на предимплантационния ембрион (бластоцист) и от тях водят началото си всички типове соматични и герминативни клетки на човешкия организъм;
  2. Фетални стволови клетки – изолират се както от различни тъкани и органи на човешки плод след преждевременно прекъсване на бременността в първи триместър, така и от всички екстраембрионални структури и тъкани като пъпна връв (вартониева пихтия), кръв от пъпна връв, амниотични кръв и мембрана, плацента;
  3. постембрионални, тъканноспецифични стволови клетки на възрастен индивид – разнородна по отношение на стволовите си характеристики група от клетки, които присъстват практически във всички тъкани и органи на възрастния индивид.

 

Способността за диференциация варира при различните типове стволови клетки и зависи преди всичко от техния произход. Съобразно възможностите им за самообновяване и диференциация, те се класифицират както следва:

  1. Тотипотентни стволови клетки – тези клетки са „на върха“ на стволово-клетъчната йерархия и се отличават с най-висок диференциационен потенциал. От тях произлизат клетките на всички зародишни слоеве (мезодермални, ендодермални, ектодермални и герминативни клетки) и екстраембрионални тъкани. Те представляват най-ранните в онтогенетично отношение стволови клетки. Тотипотентни могат да бъдат единствено оплодената яйцеклетка (зигота) и бластомерите, получени в резултат на нейното дробене (преди формирането на бластоцист);
  2. Плурипотентни стволови клетки – характеризират се с по-висока степен на специализация, но същевременно са със съхранен значителен потенциал за самообновяване. Дават началото на клетки, принадлежащи към трите зародишни слоеве (мезодерма, ендодерма, ектодерма), от които възникват всички тъкани и органи, включително и на предшественици на половите клетки, но не са способни да формират екстраембрионални тъкани. Към тази група се отнасят eмбрионалните стволови клетки, изолирани от вътрешната клетъчна маса на бластоцист, а също и индуцираните плурипотентни стволови клетки (iPSC), получени в лабораторни условия от соматични клетки с методите на генетично репрограмиране;
  3. Мултипотентни стволови клетки – присъстват в различни тъкани и органи на възрастния индивид и развиващия се фетус, включително в екстраембрионални структури. Притежават по-ограничен пролиферативен и диференциационен потенциал в сравнение с първите две групи стволови клетки. Способни са да се диференцират в разнообразни клетъчни типове, производни на конкретен зародишен слой. Такива са например мезенхимните стволови клетки (МСК), които могат да формират клетки на тъкани с мезодермален произход като остеобласти, хондроцити, адипоцити, миоцити и т.н.;
  4. Олигопотентни стволови клетки – отличават се с ограничен капацитет за диференциация в два или повече специализирани близкородствени клетъчни типове на тъканта, от която самите стволови клетки произлизат. Типичен представител за тази група се явяват хемопоетичните стволови клетки (ХСК), от които водят началото си всички формeни елементи на кръвта (лимфоцити, гранулоцити, моноцити, еритроцити, тромбоцити).
  5. Прогениторни или прекурсорни клетки (клетки предшественици, унипотентни стволови клетки) – притежават силно ограничена способност за самовъзпроизвеждане и са предопределени да се диференцират в един-единствен специфичен зрял клетъчен тип. Така напримерот ендотелните прогениторни клетки се формират зрели ендотелни клетки в процеса на неоваскуларизация. Друг техен представител са пневмоцити тип II на алвеолите като предшественици на пневмоцити тип I.

 

Регенеративната медицина представлява сравнително ново и многообещаващо интердисциплинарно направление, насочено към възстановяване на нормалните функции на увредени клетки, тъкани и органи. Това е една от областите, които в най-пълна степен съчетават последните достижения на фундаменталната наука и клиничната практика в търсене на иновативни подходи за лечение на заболявания, за които съвременната медицина не предлага алтернативни възможности за терапия. Основен и най-динамично развиващ се дял на регенеративната медицина в днешно време е клетъчната терапия, която намира все по-успешно, ефективно и широко приложение в сферата на сърдечносъдовите, дегенеративни, имунообусловени и онкологични заболявания2.

 

В общ контекст клетъчната терапия може да се разглежда като стратегия, насочена към заместване, възобновяване или подобряване на биологичната функция на увредена тъкан или система на организма  посредством автоложни или алогенни клетки. Последните две десетилетия на интензивни и пространни клинични проучвания и приложение са утвърдили именно стволовите клетки като главен неин инструментариум. За водещата им роля на терапевтично средство способстват най-вече, но не и единствено, двете ключови свойства на стволовите клетки, а именно потенциалът им за самообновяване, от една страна, и способността им за диференциация в клетки със специализирани функции, от друга.

 

Още повече това са клетъчните елементи, чиито естествени биологични функции са свързани с поддържане на тъканната хомеостаза, осигурявайки замяната на структурно и функционално компроментираните поради различни причини тъканно специфични клетки. Освен това, за някои типове стволови клетки е доказана активна регулаторна и модулираща локалната микросреда активност, благодарение на способността им да въздействат пряко на непосредствено контактуващите с тях околни клетки и/или чрез секрецията на разнообразни ефекторни молекули с паракринно действие.3

 

Трябва да се подчертае обаче, че както е показала практиката, не е задължително високият пролиферативен и диференциационен потенциал на стволовите клетки да съответства на значителен терапевтичен такъв. Ярък пример в това отношение са ембрионални стволовиклетки (ЕСК), за които, въпреки плурипотентните им свойства, са налице редица допълнителни фактори и обстоятелства, които силно ограничават както експерименталната работа с тях, така и клиничната им употреба. Сред основните лимитиращи фактори могат да бъдат откроени следните: оскъдност и относителна недостъпност на изходния материал, вътрешната клетъчна маса на човешкия предимплантацонен ембрион се състои от едва 30 – 40 клетки; доказана имуногенност на ЕСК и висок риск от отхвърляне на присадката поради това, че те и техните производни са чужди (алогенни) за организма, на който биха се трансплантирали; етични, културни, правови и религиозни ограничения, произтичащи от схващането, че унищожаването на ембрион с цел изолиране на ЕСК по същество представлява прекъсване на човешки живот; голяма вероятност от неограничен растеж на присъстващите в организма на реципиента алогенни ЕСК и образуване на тератоми (туморни формации, изградени от клетки на трите зародишни слоеве)2.

 

От изложените през последните години в специализираната литература данни може да се направи изводът, че с най-висок терапевтичен потенциал, най-широко застъпени и с най-съществен принос за клиничната практика са мезенхимните стволови клетки (МСК). За този техен статут способства впечатляващият като темпове на развитие и постигнати резултати прогрес в клетъчната терапия на редица заболявания с използване именно на МСК (Фиг. 1).

 

 

 

Фиг. 1. Някои потенциални приложения на МСК в медицината

 

 

Това са мултипотентни стволови клетки, които могат да бъдат получени от разнообразни тъканни източници, в съответствие с тяхното широко, вероятно повсеместно разпространение в постнаталните органи (Фиг. 2)4. Способността на МСК да се диференцират в различни мезодермални и немезодермални клетъчни типове (Фиг. 2), в съчетание с техния значителен пролиферативен потенциал, антиинфламаторни, антиапоптотични и имуномодулаторни свойства, ги правят подходящо средство за лечение на дегенеративни и имунообусловени заболявания5.

 

 

 

Фиг. 2. Източници на изолиране и способност за диференциация на МСК

 

 

Важно обстоятелство е и фактът, че МСК проявяват ниска имуногенност и неиндуцират имунен отговор при алогенна или ксеногенна трансплантация. Една от причините за това е липсата на експресия от тяхна страна на MHC клас II молекули, а също и на костимулаторните B7 (CD80/CD86) и CD40. Някои от разработените и клинично тествани МСК-базирани лекарствени продукти дори вече са получили официално одобрениеза приложение от съответните национални или международни регулаторни органи. Така например МСК препарати легално се прилагат за терапия на перианална фистула (Alofisel, Cupistem); артериална исхемия на крайниците/болест на Бюргер (Stempeucel); амиотрофична латерална склероза (Neuronata-R); реакция на присадката срещу приемника (graft-versus-hostdisease; Prochymal, Temcell HS) и остър миокарден инфаркт (Cellgram-AMI).

 

Съществено развитие през последните близо 10 години бележат също така и изследванията върху терапевтичния потенциал на МСК при различни хронични и остри белодробни заболявания. Интересът на респираторната медицина към тази иновативна форма на клетъчно-базирана терапия с използване на МСК съвсем не е лишен от основание. Известно е, че, за разлика от много други социалнозначими заболявания, разпространението на белодробни болести прогресивно нараства, като те са сред водещите причини за заболеваемост и смъртност в световен мащаб6. Хроничната обструктивна белодробна болест (ХОББ) например се явява четвъртата по честота причина за фатален изход в развитите страни, като според наблюдаваните тенденции през първата половина на настоящото десетилетие може да заеме трето място. Както за нея, така и за редица други патологични състояния на респираторната система като астма, бронхопулмонална дисплазия (БПД), кистична фиброза (КФ) и идиопатична белодробна фиброза (ИБФ), понастоящем не е налично ефективно лечение6. Прилаганите фармакологични решения по същество са симптоматични или забавящи прогреса на заболяването, което и предопределя необходимостта от разработване на по-ефективни терапевтични стратегии, насочени преди всичко към преодоляване на две основни предизвикателства – потискане и контрол на свързаните с патологията локални възпалителни процеси и пълноценна регенерация на увредените функционални белодробни тъкани.

 

МСК притежават редица качества с определящо значение за високия им клиничен потенциал в областта на пулмологията. Едно от отличителните им свойства е тяхната специфична миграция с насочено място и инфилтриране в зоната на увреждане и/или на активен възпалителен процес, което позволява системното им администриране в организма, минимизирайки по този начин необходимостта от инвазивни и травматични процедури за директното им въвеждане в прицелната тъкан. Изследвания с експериментални животни са показали, че МСК могат да участват във възстановяването на увредените белодробни тъкани както директно, чрез диференциацията им например в алвеоларни епителни клетки, ендотелни клетки, фибробласти или бронхиални епителни клетки, така и посредством стимулиране на експанзията, привличането и диференциацията на ендогенни за засегнатата тъкан прогениторни клетки7. Освен това е установено, че продукцията от страна на МСК на широк спектър от цитокини и растежни фактори в местата на тъканно увреждане и възпаление представлява основният механизъм, чрез който те осъществяват терапевтичните си функции6. Съставът и съотношението на секретираните биоактивни медиатори зависи преди всичко от местоположението и естеството на микросредата, в която МСК са локализирани, както и степента на конкретното увреждане. От своя страна, тези секреторни фактори са определящи за поведението на околните реагиращи клетки. Още по-важно е наблюдението, че някои от цитокините и хемокините, продуцирани от МСК, повлияват на функциите на различни имунни ефекторни клетки5. Това до голяма степен означава, че МСК също така могат да въздействат върху белодробното възпаление и увреждане посредством взаимодействието си с имунната система. Следователно екзогенните МСК, освен че са ангажирани в индуцирането на регенеративния потенциал на тъканта гостоприемник, имат и възможност да участват активно в локалната регулация на острите и хронични възпалителни реакции.

 

Без съмнение, свойството с най-голямо значение за терапевтичния потенциал на МСК се явява тяхната изключително висока функционална гъвкавост и адаптивност спрямо състоянието на заобикалящата ги микросреда. Така например, в случаите на прекомерно натрупване на фиброзна съединителна тъкан, активността на МСК приоритетно ще е насочена към нейното отстраняване, както и към ограничаване на по-нататъшното отлагане на извънклетъчен матрикс и синтезата на колаген. В условията пък на протичащ възпалителен процес се наблюдава провокиране от страна на МСК на механизми, водещи до отслабване на инфламаторния отговор, без това да увеличава риска от инфекции или тъканно отхвърляне.

 

В редица предклинични проучвания с животински модели и човешки белодробни експланти нагледно са демонстрирани убедителни данни за благоприятния ефект от приложението на МСК при остра белодробна увреда (ОБУ; Acute Lung Injury – ALI), предизвиканa от ендотоксини, хипероксия, пневмония и системен сепсис. При миши модел на ендотоксин индуцирана ОБУ е установено, че интравенозното или интратрахеално въвеждане на МСК води до значително потискане на белодробното възпаление, до подобрено отстраняване на алвеоларна течност, както и до намалена смъртност. Този ефект е резултат от понижените нива на провъзпалителния фактор TNF-α и стимулираната продукция на антиинфламаторния цитокин IL-108. Сходно положително въздействие, изразяващо се в намаляване степента на увреждане и потискане на възпалителните процеси, се наблюдава след инфузия на алогенни костномозъчни или плацентарни МСК в ендотоксин или бактериално увредени човешки белодробни експланти9,10. Тези и други предклинични изследвания дават солидно основание за високите очаквания към МСК като потенциален кандидат за ефективна клетъчна терапия на ОБУ и тясно свързания с нея остър респираторен дистрес синдром (ОРДС; Acute Respiratory Distress Syndrome – ARDS). Доколко очакванията са оправдани, ще покажат резултатите от провежданите в момента няколко клинични проучвания.

 

ХОББ се характеризира с персистиращо бронхиално и белодробно възпаление, асоциирано с фиброза и обструкция на малките дихателни пътища (обструктивен бронхиолит), протеолитична деструкция на белодробния паренхим и патологично увеличаване на алвеоларните пространства (емфизем), както и с дисфункция и апоптоза на епителни, ендотелни и прогениторни клетки. Получени са предклинични данни, според които системно администрирани костномозъчни МСК оказват позитивно въздействие при миши модели на индуциран емфизем11. Трансплантираните МСК се локализират в емфизематозния белодробен паренхим, където се диференцират в алвеоларни епителни клетки (АЕК) тип II. Паралелно с това се наблюдава забавяне в процеса на разширяване на алвеоларните пространства и Bcl-2-опосредствано потискане на апоптозата при АЕК11. В сходно проучване, включващо интратрахеална трансплантация на автоложни костно-мозъчни МСК, е постигнато благоприятно повлияване на еластаза индуциран белодробен емфизем при заек12. Отчетено е подобрение в белодробната функция, съпроводено от потискане на възпалението, инхибиране на епителната апоптоза, намаляване експресията на матрикс на металопротеиназа-2 и стимулиране пролиферацията на алвеоларни и бронхиални клетки.

 

Засега са публикувани данни от едно-единствено проведено многоцентрово, двойно-сляпо, рандомизирано, плацебо-контролирано фаза II проучване за оценка на безопасността и ефикасността от интравенозното приложение на алогенни МСК за лечение на умерена до тежка ХОББ13. Включва общо 62 пациенти, настоящи или бивши пушачи, от шест различни клиники в САЩ. Според резултатите, многократното администриране на МСК е безопасно и не крие рискове от остра инфузионна токсичност, като не са регистрирани сериозни нежелани реакции или повишена честота на екзацербации през последващия 2-годишен период на проследяване. Наблюдавано е също така значително понижение в нивата на серумния С-реактивен протеин, което предполага смекчаване на възпалението. Макар и пилотно, това проучване предоставя ценна информация относно реалната възможност за безопасна употребата на МСК, включително чрез многократни инфузии, при пациенти с хронични белодробни заболявания.

 

ИБФ е хронична интерстициална болест с прогресиращ ход и неизвестна етиология, възникващо предимно при хора в напреднала възраст и характеризиращо се с прогресивна фиброза на белия дроб, която крайна сметка води до терминална дихателна недостатъчност.Понастоящем единственото възможно ефективно лечение на ИБФ е белодробната трансплантация. Няколко предклинични изследвания с различни животински модели на индуцирана белодробна фиброза доказват протективния ефект на МСК, изразен в миграция и инфилтриране на трансплантираните клетки в засегнатите белодробни зони, последващата им диференциация в АЕК тип II, потискане на възпалението чрез блокиране на проинфламаторните цитокини TNF-α и IL-1, супресия на колагеновото отлагане, редуциране на фиброзата и намалена смъртност14-16. Посочените данни предполагат ролята на МСК като потенциален кандидат за регенеративна терапия на ИБФ.

 

До този момент е съобщено за общо три моноцентрови фаза I клинични проучвания, проследяващи безопасността и поносимостта от инфузия на алогенни МСК, изолирани съответно от мастна тъкан, плацента и костен мозък, при пациенти с умерена до тежка ИБФ17-19. И при трите изследвания не са отчетени клинично значими неблагоприятни реакции, свързани с лечението за периода на проследяване.

 

В предклиничен стадий се намират все още изследванията, свързани с ефекта от приложението на МСК при редица други трудно лечими белодробни болести като бронхиална астма, кистична фиброза, бронхопулмонална дисплазия и пулмонална хипертония, въпреки публикуваните до този момент многообещаващи експериментални данни, получени с използване на опитни животни.

 

С концепцията за клетъчно базирана терапия са свързани много от надеждите и очакванията за пробив в лечението на респираторни болести, за които пълноценното подновяване и възстановяване на белодробната структура и функция са единственото ефективно решение. И въпреки че научните изследвания и първоначални клинични изпитания показват обнадеждаващи резултати, използването на МСК за лечение на белодробни болести все още е в твърде ранен етап и изисква допълнителни широкомащабни проучвания, за да се определят ефективността, безопасността и потенциалните рискове, преди да бъде широко приложено в медицинската практика.

 

Литература

 

  1. Dusko I, Polak J. Stemcells in regenerative medicine: introduction. British Medical Bulletin, 2011; 98(1): 117–126
  2. Nadig R. Stemcell therapy-Hypeorhope? A review. Journal of Conservative Dentistry, 2009; 12(4): 131
  3. Mirzaei H,Sahebkar A,Sichani LS, et al. Therapeutic application of multipotent stemcells. J CellPhysiol, 2018; 233: 2815–2823
  4. Mundra V, Gerling IC, Mahato RI. Mesenchymal stemcell-based therapy. Molecular Pharmaceutics, 2013; 10(1): 77–89
  5. Kyurkchiev D, Bochev I, Ivanova-Todorova E,et al. Secretiono fimmuno regulatory cytokines by mesenchymal stem cells. World J StemCells, 2014; 6: 552–570
  6. Weiss D. Concise Review: Current Status of Stem Cells and Regenerative Medicine in Lung Biology and Diseases. StemCells, 2014; 32(1): 16–25
  7. Tropea KA, Leder E, Aslam M, et al. Bronchioalveolar stemcells increase after mesenchymal stromal cell treatment in a mous emodel of bronchopulmonary dysplasia. Am J PhysiolLungCellMolPhysiol, 2012; 302: L829-L837
  8. Gupta N, Su X, Popov B, et al. Intrapulmonary delivery of bonemarrow-derived mesenchymal stemcells improves survival and attenuatesendotoxin-induced acute lung injury in mice. J Immunol, 2007;179(3):1855-63
  9. Lee JW, Fang X, Gupta N, et al. Allogeneichum an mesenchymal stem cells for treatment of E. coliendotoxin-induced acute lung injury in the exvivo perfused human lung. ProcNatlAcadSci USA, 2009;106(38):16357-62
  10. Lee JW, Krasnodembskaya A, McKenna DH,etal. Therapeutic effects of human mesenchymal stem cells in exvivo human lungsinjured with live bacteria. Am J Respir Crit Care Med, 2013;187:751–760
  11. Zhen G, Liu H, Gu N, et al. Mesenchymal stem cells transplantation protects against rat pulmonary emphysema. FrontBiosci, 2008; 13:3415–3422
  12. Yuhgetsu H, Ohno Y, Funaguchi N, et al. Beneficial effects of autologous bone marrow mononuclear cell transplantation against elastase-induced emphysema in rabbits. ExpLungRes, 2006; 32(9): 413–426
  13.  Weiss DJ, Casaburi R, Flannery R, et al. A placebo-controlled randomized trial of mesenchymal stem cells in chronic obstructive pulmonary disease. Chest, 2013; 143: 1590–1598
  14.  Ortiz LA, Dutreil M, Fattman C, et al. Interleukin 1 receptor antagonist mediates the anti-inflammatory and anti-fibrotic effect of mesenchymal stem cells during lung injury. Proc Natl AcadSci USA, 2007; 104(26): 11002–11007
  15.  Ortiz LA, Gambelli F, McBride C, et al. Mesenchymal stem cell engraftment in lung is enhanced in response to bleomycin exposure and ameliorates its fibrotic effects. Proc Natl AcadSci USA, 2003; 100(14): 8407–8411
  16.  Rojas M, Xu J, Woods CR, et al. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells in repair of the injured lung. Am J Respir Cell MolBiol, 2005; 33(2): 145–152
  17. Tzouvelekis A, Paspaliaris V, Koliakos G. A prospective, non-randomized, no placebo-controlled, phase Ib clinical trial to study the safety of the adipose derived stromal cells-stromal vascular fraction in idiopathic pulmonary fibrosis. J Transl Med, 2013; 11: 171
  18.  Chambers DC, Enever D, Ilic N. A phase 1b study of placenta-derived mesenchymal stromal cells in patients with idiopathic pulmonary fibrosis. Respirology, 2014; 19(7): 1013–1018
  19. Glassberg MK, Minkiewicz J, Toonkel RL, et al. Allogeneic Human Mesenchymal Stem Cells in Patients with Idiopathic Pulmonary Fibrosis via Intravenous Delivery (AETHER): A Phase I Safety Clinical Trial. Chest, 2017; 151: 971-981

 

Вашият коментар