给药方式| 间充质干细胞产品的开发

间充质干细胞、免疫细胞、外泌体源头实验室

撰文│步步先生   来源│干细胞者说  如需转载请联系原作者

临床研究中,每一剂细胞制品不一定都能达到最佳治疗效果,这可能并不是干细胞治疗无效,有可能是给药方式的选择出现了问题。

 

一、间充质干细胞的给药方式

正如活细胞的效力需要体外评估一样,间充质干细胞(MSCs)的给药方式同样也会影响其进入体内后的行为(包括药代动力学和生物学特性)。

具体来讲,注射点部位注射器载体材料缓冲液因素都会影响细胞的治疗效果。不同的注射部位可能导致细胞注射液回流的变化,注射器(针头的大小/形状)可能导致细胞注射液剪切速率和剪切应力的变化,这些变化都会影响注射细胞的活力。
干细胞目前常见的给药方式是循环系统给药(静脉注射,动脉注射)局部注射。局部给药比较复杂,包括鞘内注射(常见于神经系统病变)、局部注射(如关节腔内注射、椎间盘注射,心肌注射、肌内注射、气管注射)、结合生物材料或基质给药(如烧伤烫伤、膝关节炎、子宫内膜损伤、椎间盘损伤等等)。
在干细胞临床研究中,无论是局部给药,还是循环系统给药,都面临着各种挑战。

局部给药方式

局部给药在细胞药物临床试验使用较为广泛。已注册的MSCs临床试验中有49%采取局部给药。大多数已进入III期临床试验的MSCs疗法均已在各种临床适应证(包括慢性腰痛、肛周瘘管和慢性心力衰竭)中使用了局部给药(即鞘内、病灶内和心内膜)。

局部给药方式可控性强,细胞可快速定位病灶,相对效果更好。不同的适应证、相同适应证中不同的病程、不同的治疗诉求均需要不同的给药方式。在治疗缺血性卒中慢性期局部给药比全身给药更有效。然而,移植后的细胞在给药部位的保留时间和存活率不足是一个挑战,这影响治疗效果。

局部给药后,诸多因素影响着细胞存活存活时间和数量),其中,尤为重要的是病灶部位形成的恶劣微环境,影响着局部给药后细胞的存活质量。研究表明,移植后数小时内,仅不到 5%的移植细胞仍在注射部位。一项使用放射线标记的MSCs治疗冠心病的研究发现,MSCs在注射1小时后只有2.1%仍在注射部位,其他大部分出现在肝脏和脾脏。

免疫介导的损伤和细胞凋亡也会影响局部给药后细胞的存活。一项大鼠实验显示,MSCs局部给药2天后,心肌梗塞部位就已无法检测到存活的MSCs。因为营养输送和氧气扩散有限,也会影响局部给药后细胞的存活。在距离血管约200μm范围内,细胞才能获取足够的营养和氧气。这也限制了MSCs在受损部位的治疗作用,因为新的血管生成需要时间。


因此,针对某些疾病,如想提高疗效,尽量会将干细胞“送到”损伤位置进行修复。采用局部给药方式(比如局部注射、腰穿、介入等方法)可提高其归巢性,发挥更好的临床效果。

循环系统给药方式

局部给药并不适合所有的适应证,因局部给药可能造成新的创伤或严重并发症。因此,临床治疗会考虑选择循环系统给药。循环系统给药分为静脉给药动脉给药静脉输注由于操作简便侵袭性小可重复性强,因此临床治疗中较为常见。但比起局部给药,使用循环系统给药的MSCs,由于靶点距离较远,归巢性往往不足,从而影响治疗效果。
采用循环系统给药方输注MSCs,有两个主要挑战:即时经血液介导的炎症反应(IBMIR)细胞留存时间不足
血液介导的炎症反应

在一定程度上大量细胞输注产生的微血栓、即时血液介导的炎症反应(instantblood-mediated inflammatory reaction,IBMIR)等不良反应的出现与输注MSCs的特性、数量及病人个体情况有关。MSCs表面的促凝剂(如组织因子)浓度升高是IBMIR发生的诱因,会影响细胞定植、存活时间和治疗功效

另外,组织来源不同、供体来源不同和倍增次数不同MSCs产品对组织因子(TF)的表达和IBMIR严重程度有很大影响。除引发凝血外,MSCs与人血清接触后的IBMIR已被证明可以激活所有三种经典途径,替代途径和凝集素途径的补体。因此,采用循环系统给药,MSCs治疗的临床安全性取决于IBMIR的最佳控制。

 驻留和归巢时间不足

采用循环系统给药时,关键是保持足够长的时间,但通过静脉输注的MSCs大部分都会快速集中(24小时内)至肺毛细血管,而后被单核-巨噬细胞吞噬,造成MSCs体内循环及归巢时间严重不足,影响临床疗效。

经循环系统给药的MSCs常无法到达目标组织,这不足以将治疗细胞输送到患病部位。

二、如何提高给药方式的效率

提高MSCs给药方式的效率可参考以下几点:

(1) 通过低氧、炎性因子、小分子等预处理,可提高MSCs存活率。但不适用刚解冻后的细胞。

(2) 通过水凝胶包裹,可使MSCs在局部给药后存活数周。但不适用全身给药,仅适合局部给药。
(3) 通过微凝胶包裹MSCs,可提高其存活率。微凝胶既适用于局部注射,也适用于全身注射。但微凝胶的物理屏障可能影响MSCs的归巢能力。
(4)通过基因工程/抗体偶联/聚合物涂层在MSCs表面进行修饰,可实现MSCs的靶向能力。
(5)通过负载氧化铁,MSCs可在外部磁场引导下到达靶点。也可通过磁共振成像监测MSCs在体内的生物分布,但不适用刚解冻后的细胞。

局部给药

体外预处理:体外预处理是一种简单的策略,通常,病灶部位处于缺氧微环境,低氧预处理可上调某些生长因子表达,帮助MSCs尽快适应低氧微环境。在心肌梗死大鼠模型中,经低氧预处理的MSCs注射到心肌后,3天内死亡的细胞数比未处理的少40%,且改善了梗死心肌的血管形成,提高了治疗效果。但这种预处理方式,只适合新鲜细胞,不适用刚解冻后的细胞,因为存活因子的表达高度依赖于环境。

生物材料封装:生物材料封装是另一种潜在策略,在大鼠心肌梗死模型中,单纯MSCs在体内存活不到2天,而经处理水凝胶包裹的MSCs存活时间长达16天。而且,后者能显著减少疤痕形成,加速血管生成,增加心室壁厚度。

循环系统给药

为了减轻IBMIR,建议一方面在临床上使用低剂量抗凝剂(如肝素)另一方面开发新的MSCs培养基,因为AB血浆(ABP)中的ABO抗原、补体和凝血因子会加重IBMIR。其他替代方法还有:在细胞表面覆盖肝素分子涂层,通过基因编辑技术降低TF表达,或者让MSCs表达血液调节分子。

延长体内留存时间
微囊化是将MSCs封装在直径30~50μm的微粒水凝胶内,既不干扰MSCs的旁分泌作用,又可显著增加其在体内留存时间。微凝胶内的细胞数量可能是控制MSCs留存时间的重要因素。
研究表明,多细胞微凝胶的半衰期大于50小时,单细胞微凝胶半衰期约20小时,未经修饰的MSCs半衰期则小于2小时。单细胞微凝胶的优势是能减少纤维化囊形成,增加表面积体积比,有利于MSCs发挥旁分泌作用多细胞微凝胶的优势是胶原蛋白水平更高,氧张力更低,更能延长MSCs留存时间。
 
改善归巢能力
上调MSCs配体可强化MSCs与炎症部位内皮细胞或趋化因子间的相互作用,从而改善MSCs归巢。例如在脑缺血大鼠模型中发现,用丙戊酸和锂可诱导MSCs的CXCR4和MMP-9上调,增加MSCs归巢,改善功能恢复,缩小脑梗塞体积。
 
磁场靶向
通过磁靶向技术可将经磁性标记的MSCs引导到靶组织,大大提高MSCs归巢数量。氧化铁标记的MSCs在大鼠模型中静脉输注后,显示出在视网膜归巢率增加了10倍,与非磁性MSCs相比,注射后1周,磁性MSCs更好地穿透了内部和外部视网膜。
整体而言,改善细胞留存时间和归巢能力的给药方式,目前大多处于临床前研究阶段,少部分进入临床试验阶段。这些策略可解决MSCs留存时间和归巢问题,有助于改善各疾病的临床结果。

三、小结

目前常见的给药方式是循环系统给药和局部注射。循环系统给药方式因细胞常无法到达目标组织,以致不足以将治疗细胞输送到患病部位。局部给药方式,细胞可快速定位病灶,相对效果更好,但容易造成新的创伤或并发症。所以,不同的适应症要选择合适的给药方式尤为重要。

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