特发性肺纤维化的细胞治疗研究进展

一文读懂特发性肺纤维化的最新进展。

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特发性肺纤维化

特发性肺纤维化(IPF)是一种破坏性的间质性肺病(ILD),其特征是肺间质瘢痕化,最终导致实质破坏和正常功能丧失。它主要影响的是60-75岁的男性,患病率为每10万人口13-20人。特发性肺纤维化确诊后平均生存期2.8年,5年生存期甚至低于部分肿瘤如肺癌和胰腺癌患者,仅有30%。所以特发性肺纤维化是一种类肿瘤疾病,甚至比某些肿瘤对生命的威胁程度还要高。IPF诊断需要结合临床、实验室、放射学和组织学检查,影像学和/或组织病理学特征是常见的间质性肺炎(UIP)。

以往的疾病病原学实验研究表明,反复暴露于未知的损伤性刺激会导致肺泡上皮功能异常,伤口愈合反应过度,肌成纤维细胞活化,多余的细胞外基质(ECM)沉积。最近的研究强调了肺泡上皮细胞在疾病发病中的作用,因此,IPF被认为是一种以肺泡上皮损伤和肺泡塌陷、肺泡上皮Ⅱ型细胞减少、肺泡干细胞衰竭为特征的多因素疾病。吸烟、病毒感染和遗传易感性上的环境污染被认为是潜在的致病因素。mucin 5b(MUC5B)编码基因、端粒酶基因(TERT、TERC、OBFC1)和上皮功能调节基因(DSP,DPP9)的突变,在IPF患者全基因组研究中已被证明在流行病学方面具有重要作用。此外,免疫系统的变化对疾病进展也至关重要,许多IPF患者体内存在的自身抗原和自身抗体证实了这一点。

特发性肺纤维化的治疗药物

特发性肺纤维化目前的治疗方法主要有氧气疗法、肺部康复训练、肺移植、和药物治疗等。其中相对有效的是肺移植和药物治疗,但肺移植受限于肺源和手术条件及治疗费用,而药物治疗疗效目前比较有限且存在较多的不良反应。目前市场上针对性治疗特发性肺纤维化药物有两款,分别是吡非尼酮和尼达尼布。

吡非尼酮是一种抗脂肪酸和镇痛药,但有关其作用机制还没有定论。然而,在动物模型中发现转化生长因子β(TGF-β)和前胶原基因表达的产生和活性降低。尼达尼布是一种酪氨酸激酶抑制剂,可抑制血管内皮生长因子(VEGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)和血小板衍生生长因子(PDGF)等。这两种药物都得到了临床试验的批准,显示用力肺活量(FVC)下降率的改善。FVC在6个月内的下降是IPF疾病进展的最有力指标。但它们也存在较严重的不良反应,特别在胃肠道方面,有20%以上使用者因此而停药。所以,特发性肺纤维化仍是一个巨大且急需被满足的临床需求。

因此,IPF迫切需要寻求新的、更有效的治疗方法,无论是单独治疗还是联合治疗,而再生医学是一个新兴的候选者。再生医学是细胞疗法治疗破坏性疾病的潜在应用,这类型疾病会导致靶器官的结构变化,在过去的二十年里得到了广泛的研究。在过去的几年里,它也成为治疗肺部疾病的一种替代选择,具有干细胞特性的细胞群体已在临床试验中得到评估。

间充质干细胞

间充质干细胞(MSCs)是一种具有许多优点的细胞群体。首先,它们可以分化成多个细胞系,比如分化为成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞。其次,它们很容易从多种组织中获得,骨髓、脂肪组织的基质血管部分(SVF)、脐带和外周血是潜在的来源。另外收获后,它们可以很容易地在体外培养和扩增。国际细胞治疗学会(International Society for Cellular Therapy)发表的标准建议,MSC细胞应具备以下三个特征:贴壁于典型的组织培养皿;可分化为成骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞;特定的抗原表达谱。

越来越多的证据表明MSCs通过与多种途径发挥其有益的作用。它们的免疫调节和抗炎症特性已经被广泛研究,同时它们也被认为具有轻微的抗纤维化作用。MSCs通过细胞间接触或释放各种可溶性因子(包括IDO、PGE2、NO和TGF-β)来调节T细胞、树突状细胞和B细胞的增殖。MSCs还通过下调IL-1b、IL-2、TNF-α和TGF-β发挥抗炎症作用。此外,MSCs可通过释放角质形成细胞生长因子(KGF)、肝细胞生长因子(HGF)、血管内皮生长因子(VEGF)和Ang-1等多种生长因子来促进肺泡上皮和内皮细胞的修复过程。

由于缺乏II类主要组织相容性复合物(MHCII)的表达使其具有“免疫特权”,在给药后不会引起免疫系统反应,从而使其成为开发产品的理想选择,并允许对同种异体人群进行临床试验。MSCs已用于多种疾病的治疗,自体免疫性疾病,包括移植物抗宿主病(GvHD)、克罗恩氏病、多发性硬化症和系统性红斑狼疮(SLE)都在其中。关于肺纤维化,一些临床前研究报告了大多数的阳性结果。

肺泡II型上皮细胞

AEC2s是具有干细胞特性的细胞,因为它们可以通过直接分化来促进AEC1s的更新。随着IPF中AEC1s的丢失,AEC2s的功能障碍也很明显,它们表现出端粒缩短、表观遗传变化和细胞衰老导致更新能力受损,从而破坏了肺上皮的天然修复机制。在博来霉素诱导的大鼠肺纤维化的实验模型中,气管内滴注AEC2s可降低纤维化的负荷。

临床试验

在一项前瞻性临床试验中,使用了自体移植从脂肪组织中获取的MSCs。该试验为非随机、单臂安全性试验,涉及IPF的轻中度疾病患者,支气管镜下经支气管内注入细胞(0.5×106/kg),肺显像证实细胞粘附于输注部位。结果是令人鼓舞的,因为在12个月内没有发现主要的副作用。此外,由于肺功能测试在12个月后没有明显下降,并且根据圣乔治呼吸问卷评估的生活质量得到改善,因此第二个疗效终点得到满足。然而,正如作者所说,这也可以归因于安慰剂效应。有趣的是,5年随访后的长期结果表明在给予ADSCs后出现功能衰退不早于2年,中位生存率与已发表的流行病学数据一致。值得注意的是,所有患者在第一次输注ADSCs后均存活2年。虽然这项研究没有足够的动力来评估疗效,但结果仍然证明了进一步的研究是正确的。更有趣的是,这项研究提出了一种追踪MSCs体内命运的方法,并在支气管镜下靶向灌注后确定其与特定肺叶的粘附性。

Chambers等人发表了一项1b期、开放标签、单中心、非随机剂量递增试验,该试验利用了从供者脐带中获取的MSCs的异基因群体。该研究旨在确定静脉输注胎盘源性异基因(HLA非匹配)MSCs作为IPF治疗方案的安全性,尤其是在疾病早期(NCT01385644)。共有8名患者参与了这项研究。4例患者的输注细胞数为1×106个细胞,经过令人满意的中期分析后,又有4个患者接受了2×106个细胞。虽然安全性是主要终点,但药效由6个月以上肺功能和纤维化评分的变化决定,是次要的探索性终点。相关的不良反应包括肺部感染,长期来看,一名患者在输注6个月后病情加重,经皮质类固醇治疗完全缓解,研究称与治疗无关。FVC在1个月时下降了165毫升,3个月时下降了140毫升,到了6个月时又回到了基线水平。DLco和纤维化评分在6个月期间稳定,而6分钟步行测试(6MWT)在3个月时略有改善,但在6个月时恢复到基线水平。研究结论是,同种异体胎盘来源的MSCs在IPF患者中输注时具有可接受的安全性。研究设计并非针对药效,因此这些结果不能在这方面进行解释。

另外一项研究名为AETHER(NCT02013700),采用了最常用的骨髓间充质干细胞(BMMSCs)。这项研究是一项单中心、非随机、非安慰剂对照的I期研究,包括9名轻中度IPF患者。患者分为3组,每组3例,静脉注射2×107、108或2×108(BM-MSCs)/kg。安全性是主要终点,在输注后没有出现严重的与治疗相关的不良反应。两例死亡均发生在第三组接受高剂量骨髓间充质干细胞的患者中。死亡原因是疾病进展或急性加重。然而,研究的结论是,他们与MSC输注无关,因为这些患者在基线检查时病情更严重,肺功能明显恶化。次要、探索性终点与药效相关。FVC的平均绝对下降<15%,这被认为低于疾病进展的阈值,尽管患者之间存在相当大的变异性。HRCT成像分析显示在细胞数较高的组中,肺纤维化程度和DLco的下降率较低。

最近,发表了一项具有不同纳入标准和给药方法以及更大细胞数的I/IIa期随机,开放标签,安慰剂对照研究。研究使用MSCs对进展性疾病的IPF患者,由于研究期间缺乏有效性,所有患者均未接受抗纤维化药物。MSCs取自健康供者骨髓,两组各10例,第一组静脉注射4个系列的MSCs,每个系列包括两个剂量的200×106细胞,持续39周。每位患者总共接受了1.6×109个细胞,这是迄今为止所有研究中给予细胞数量最多的。第2组服用安慰剂,主要终点为安全性,次要终点为有效性,通过1年以上肺功能试验(FVC、DLco)、6MWT和半定量HRCT-纤维化评分的变化进行评估。到研究结束时,四名患者因疾病进展和呼吸衰竭死亡,每组两名。不良反应较轻,主要发生在MSCs组。关于药效,在12个月的治疗期结束时,观察到治疗组和安慰剂组之间的统计差异,有利于MSCs组。MSCs组的FVC和6MWT期间的步行距离改善,而安慰剂组则恶化;两组DLco均恶化,尽管治疗组较轻;两组的HRCT纤维化评分与基线无差异。

只有一个临床试验使用AEC2s治疗IPF。这项研究包括16名轻中度疾病患者,在研究登记前的最后一年中有进展性疾病。研究的主要目的是安全性,但也要评估肺功能和疾病程度。由于这些细胞具有同种异体的特性,患者必须预先用免疫抑制剂和预防性药物进行治疗。所有患者在不同的时间点,经支气管镜在不同的肺叶进行4次细胞滴注,间隔15天。患者接受的细胞总数为10×108~12×108。患者在滴注AEC2s后24小时内进行监测,并随访12个月。研究报告在滴注后24小时内没有明显的不良反应。术后随访12个月,其中12例为轻度呼吸道感染。此外,移植后12个月,肺功能测试显示没有恶化,HRCT上病变程度也没有变化。然而,生活质量有所改善,因为患者报告呼吸困难和咳嗽有所改善,6MWT患者步行距离有临床意义的改善。这些临床结果,包括MSCs,都需要进一步的验证和组织更强有力的临床试验。

需要解决的问题

MSCs已在诱导性骨质疏松动物模型中得到了很好的研究结果。然而,对IPF的发病机制和驱动MSCs功能的潜在机制以及安全性的不完全理解阻碍了其在临床试验中的进一步应用。主要担心的是,由于MSCs具有无限的再生潜力,以及在输注部位招募循环干细胞和成纤维细胞,MSCs可能通过产生促炎症和促纤维化细胞因子而加剧纤维化,或促进异位组织的形成。

在IPF中进行的临床研究确实回答了其中一些问题,尤其是关于安全性的问题。所有这些疾病都没有发生重大不良事件,消除了大多数人的担忧。关于疗效,所有的研究都表明,在不使用抗纤维化药物治疗的情况下,肺功能可稳定达2年之久,这些结果是令人鼓舞的。然而,这些研究在确定安全性方面动力不足,而且存在重大差异。特别是,每项研究都使用了不同的细胞群体。虽然所有的MSCs都被认为是MSCs,但它们既有内在的差异,也有由于使用前需要体外操作和扩增而产生的差异。每个病人的细胞数和输注量以及输注方式也各不相同。其中一项研究使用内窥镜技术进行MSCs的现场输送,而其余的则采用静脉注射。其中两项研究使用单次输注骨髓间充质干细胞,而另两项研究则采用多次输注。一项研究使用自体细胞,而其他研究使用来自捐赠者的同种异体细胞。所有这些差异使得研究不具有可比性,无法对结果进行集体解释。

另一个必须回答的问题是,MSCs是否可以用来代替标准的抗纤维化疗法,或者作为标准抗纤维化疗法的补充。新的试验必须包括已经接受吡非尼酮或尼达尼布治疗的患者。理想情况下,直接比较MSCs和抗纤维化治疗作为一项新试验的终点,此外,还应考虑MSCs与抗纤维化协同作用的可能性。然而,安慰剂组在这些研究中是不合理的,因为拒绝标准治疗是不道德的,这使得直接比较变的不可能。

展望

目前完成的临床试验表明,IPF的细胞治疗是安全的,而且可能是有效的。但是其余问题,包括长期安全性、最佳治疗时间、给药途径以及剂量方案,仍然没有得到答复。如果我们要获得明确的答案,还应该进行更多多个治疗臂的大规模随机对照试验。

参考文献:

1. Cell Therapy for Idiopathic Pulmonary Fibrosis: Rationale and Progress to Date. BioDrugs. 2020 Oct;34(5):543-556.

2. clinicaltrials.gov 

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