Stem Cells Translational Medicine: An Interview with Cell Therapy Pioneer, Arnold Caplan
Arnold Caplan: Correct, MSCs are not stem cells. Although I erroneously presumed that MSCs would and could provide replacement cells for those cells that were at sites of injury or sites where mature cells had naturally expired, it is clear that the MSCs are not multipotent and cannot differentiate inside the body into mesenchymal phenotypes. In addition, it is now understood that, once the MSCs are in culture and are expanded, their functionality is affected. It appears that the culturing process derepresses the genome in such a way that, exogenously added, very powerful inductive agents can stimulate these cultured cells to enter and progress down phenotypic lineage pathways. This allows cartilage, fat, and bone phenotypes to be separately observed in vitro when culture-expanded cells are exposed to the specific powerful inductive microenvironments that provide transcriptive accessibility to a variety of mesenchymal phenotypes.
Likewise, the assumption that the multipotency observed in vitro is what occurs inside the body is clearly incorrect in that this multipotency is not a part of normal functions of MSCs found within a variety of tissues. Last, as the popularity of studying MSCs increased within the scientific community, it became obvious that MSCs could be obtained from a variety of tissues. Modern single-cell RNAseq technology shows that, in comparing the cultured MSCs from human fat or MSCs from marrow, there are more than 17,000 transcripts in common, while each tissue-type MSC has 1400 to 1600 tissue-specific sequences, which characterize the MSCs derived from those tissues, respectively. Moreover, we now know that MSCs secrete huge quantities of cytokines and growth factors into the nutrient medium, and although this was overlooked initially in a publication in the Journal of Cell Physiology in 1996, these observations emphasize that this secretory capacity represents the primary function of these cells.
MSCs are medicinal; MSCs are derived from perivascular cells that are situated outside of and on every single blood vessel in the body. When a blood vessel is broken or inflamed, the perivascular cell, the pericyte, comes off and some of these liberated cells differentiate into MSCs. MSCs can be isolated by their culture dish adherence and expanded in number in such cultures. Such culture-expanded MSCs can be infused or delivered back into the body, where they circulate and dock at sites of injury or inflammation. Those newly docked MSCs are capable of surveying and sensing the microenvironment in which they find themselves, and they have a programmed response-profile of secretory activity for any given microenvironment. If the microenvironment is inflammatory, the MSCs produce anti-inflammatory molecules. If that microenvironment has huge amounts of bacteria, the MSC secretes inflammatory molecules to bring the monocytes and macrophage into proximity of those invading bacteria to try to rid the system and tissue of those infiltrating intruders. Thus, MSCs are site-regulated, multidrug dispensers that function at sites of injury. When culture-expanded MSCs are added to the blood system of an animal or a human, the added MSCs search for sites of tissue damage and inflammation, dock at these sites of injury, survey that site, and provide a spectrum of secretory molecules in response of that sensing activity. I say that MSCs are drugstores for sites of injury and inflammation.
If one goes to the website clinicaltrials.gov and puts mesenchymal stem cells into their search engine, one finds well over 1,000 clinical trials that are listed for a large variety of clinical symptoms. Some of these clinical symptoms are, for example, Crohn’s disease, graft versus host disease, MS, ALS, kidney transplantation, acute myocardial infarct, heart failure, rheumatoid arthritis, lupus, autism, sepsis, and others. In many cases, phase 1 and 2 trials focusing on a particular clinical situation show that the MSCs are highly efficacious. Only a few phase 3 trials have been attempted but there are still no FDA-approved MSC products in the United States. There are 12 approved MSC products worldwide, and other phase 3 trials are now in play for clinical issues such as stroke, low back pain, and osteoarthritis. It is clear from the results of these clinical studies that the MSCs function as cytokine and growth factor secretory factories, not as stem cells.
Arnold Caplan: I would have to say that MSCs are not stem cells, but they naturally have a profound functionality as Sentinels of injury and tissue disbalance. There are well over 70,000 publications on MSCs (PubMed, mesenchymal stem cells) and more recently, the medicinal capacity of MSCs has been emphasized in such publications. This new data and the use of new technologies such as single-cell RNAseq have focused on both the differences and common features of MSCs. It makes perfect biologic sense that cultured MSCs from a single source, such as fat or marrow, are heterogeneous populations. The pericytes from the vasculature deep inside of fatty tissue and those from the outside have come from different microenvironments and these different environments provide different surface chemistries to the cells that are released from these tissue sites. Which of these different MSCs are therapeutic or are they all required to bring about a therapeutic endpoint? Moreover, MSCs do not stay at a tissue site very long after they have been added to the body, but therapeutic effects can be observed for many months after the initial MSC exposure. It is clear that MSCs can be instructive to monocytes and macrophages and can cause the generation of T-regulatory cells that stay at tissue sites for years. Importantly, for example, CAR-T cells that were exogenously manipulated and then reintroduced into the donor’s body, can be found in cancer-free patients even after 10 years have elapsed, as recently published in Nature by Carl June’s group. Cell-based therapy such as CAR-T can be curative for some cancers, and MSCs can be curative for severe COVID-19 infections by molecular mechanisms that have been described. Neither CAR-T nor MSCs are stem cells but rather are medicinal cells that make therapeutic agents or stimulate the production of therapeutic cells at the right place at the right time.
Dr. Arnold Caplan: MSC nejsou kmenové buňky
Rozhovor s průkopníkem buněčné terapie Dr. Arnoldem Caplanem
Dr. Anthony Atala – Stem Cells Translational Medicine
Úvod
Nové technologie vznikají pomalu v procesu, který má mnoho iterací. V každé iteraci je vědeckou komunitou stanovena a ověřena nová pravda nebo skutečnost. Dogmata z doby před 60 lety byla postupně testována a nová fakta a nové technologie zajišťují proces vědeckého pokroku. Vědci, kteří zavedli nové logiky, jsou často nazýváni průkopníky. Tito jedinci však nesou těžké břemeno, protože pravdivost jejich původních zjištění a dlouhodobá realita dané technologie se často liší. Zdravá a čilá výměna názorů mezi odpůrci, kteří o nové pravdě pochybují, a původci, průkopníky, je zdravý a užitečný proces. Z dlouhodobého hlediska vyvíjíme ve vědě nové technologie, které mají podstatný vědecký dopad na staré i nové problémy. Průkopníci často klopýtnou a jsou zkrvaveni, ale jejich vytrvalost má vědecké, lékařské a společenské výhody. Tento rozhovor poukazuje na detaily a složité „vědecké pravdy“, které se vyvinuly na vědeckých cestách jednoho člověka. Arnold Caplan je profesorem biologie a ředitelem Centra pro výzkum kostry na Case Western University v Clevelandu ve státě Ohio a skutečným průkopníkem v našem oboru. Dr. Caplan je také držitelem ceny „Lifetime Achievement“, kterou v roce 2022 udělila Nadace pro regenerativní medicínu (Stem Cell and Regenerative Medicine Action) za významný přínos v oblasti podpory vědeckých objevů s cílem zlepšit zdraví a přinést léky.
Anthony Atala: Na setkáních, kde vystupujete, jste často představován jako průkopník v oblasti buněčné terapie a jako „otec“ mezenchymálních kmenových buněk (MSC). Jak na tyto přívlastky reagujete?
Arnold Caplan: Přívlastek průkopníka je pro ty z nás, kteří se věnují vědeckému výzkumu, velkým břemenem, protože říká, že jsme prorazili novou cestu a vytvořili určité precedenty a inovace v rámci pokroku biologických/medicínských věd založeného na znalostech. Nové myšlenky se rodí těžko a velmi často nejsou snadno přijatelné ani v rozumném časovém horizontu. Stejně tak jsou nové myšlenky někdy chybné, ale slouží k podněcování energických pokusů o jejich vyvrácení a někdy se z této vyvracející činnosti vyvinou nové přístupy ke starším myšlenkám.
Tuto zátěž jsem si uvědomil již na počátku své kariéry, když jsem byl postgraduálním studentem v laboratoři Alberta Lehningera na Lékařské fakultě Johnse Hopkinse. v roce 1965 jsem profesoru Lehningerovi (který byl v té době mimo laboratoř na studijním volnu) poslal návrh svého vůbec prvního rukopisu, který měl být publikován. V části Diskuse návrhu rukopisu jsem formuloval spekulativní interpretaci založenou na údajích, které jsem shromáždil. Tato spekulativní interpretace se týkala způsobu, jakým byly vápenaté ionty transportovány do mitochondriálních mezistěn, které procházely z vnějšího prostředí dovnitř, případně přes vnitřní membránu. Navrhl jsem, že transport vápníku nemá vůbec nic společného s řetězcem oxidativní fosforylace, ale že probíhá spíše prostřednictvím transportéru, který se shodou okolností nachází v membráně, v níž je umístěn systém produkce energie a přenosu elektronů. To bylo nejen v rozporu s dogmatem Lehningerovy laboratoře, ale také v rozporu s jeho publikovaným výkladem, který uváděl, že k transportu vápníku do mezihrudí mitochondrií dochází prostřednictvím fungování samotného elektronového transportního řetězce.
V té době, aniž bych to věděl, vyslovil profesor Peter Mitchell v Anglii jinou hypotézu, podle níž neexistuje žádný elektronový transportní řetězec jako takový, ale spíše rozdíl elektrických potenciálů mezi vnitřní a vnější stranou vnitřní mitochondriální membrány, který je řízen transportem vodíkových iontů přes tuto membránu. Lehninger byl v silné opozici vůči Mitchellově teorii, která byla nakonec biochemickou komunitou přijata, a Peter Mitchell za svou práci o úloze membránových potenciálů při produkci energie skutečně obdržel Nobelovu cenu [Nobelova cena za chemii 1978 byla udělena Peteru D. Mitchellovi „za jeho přínos k pochopení biologického přenosu energie prostřednictvím formulace chemiosmotické teorie.“].
Poučení pro mě bylo, že můj výklad byl skutečně správný, ale že místní dogmata nepřipouštěla alternativní hypotézu. Tato Lehningerova facka, která mě donutila změnit slovosled mého prvního návrhu publikace, pro mě byla nejen ranou pro mou hrdost, ale nakonec i blokem, který bránil inovativnímu myšlení a potenciálnímu pokroku v této oblasti studia. Dalším poznatkem, který si z této zkušenosti odnáším, je to, že změnit standardní, uznávané vysvětlení, dogma doby, bude v rámci vědeckého kontextu vyžadovat obrovské množství času a energie.
Anthony Atala: Jak bychom měli ve vědě sladit dogmata dneška s vědeckou pravdou?
Arnold Caplan: Označení Lehningerova názoru za „dogma laboratoře“ je předpojatý popis. Dochází k tomu, že naše vědecká „pravda“ (dogma) daného okamžiku může být založena na skládání pozorování způsobem, který v daném okamžiku dává smysl, ale když jsou poskytnuty další informace, musí být tato pravda pozměněna, aby poskytla novou pravdu tohoto nového okamžiku. To, co dnes považujeme za „fakt“, nemusí být zítra správné, a to je obrovské břemeno průkopníka, který musí předložit pravdu tak, jak ji v daném okamžiku zná, ale musí být připraven provést změny, které si vyžádá přístup k novým informacím nebo použití nových technologií.
Vědecká fakta jsou postavena na kvalitě a pronikavosti pozorování v daném okamžiku: nová technologie poskytuje nový pohled na stejný systém a často poskytuje nový vhled, který umožňuje pozměněnou pravdu tohoto nového okamžiku.
Anthony Atala: Jak jste se dostal k práci s mezenchymálními kmenovými buňkami (MSC)?
Arnold Caplan: To je dlouhý příběh, který zahrnuje proces inovace, který mě vyvedl z mitochondrií do úplně jiné oblasti studia. Po odchodu z Lékařské fakulty Univerzity Johnse Hopkinse, kde jsem v roce 1966 získal doktorát ze studia vnitřních a vnějších mitochondriálních membrán, jsem přijal postdoktorandské místo u profesora Nathana O. Kaplana, PhD, na Brandeisově univerzitě na katedře biochemie, kde byl vedoucím. s profesorem Kaplanem jsme se dohodli na projektu, který se týkal izoforem enzymu LDH a jejich změn ve vyvíjejícím se a obnovujícím se svalu při inervaci, nebo v případě mého projektu při reinervaci. Když jsem se začal pokoušet připravit svůj experiment, byl jsem z tohoto projektu velmi nešťastný, a tak jsem se zahrabal v knihovně a lovil náhradní projekt, který by byl zajímavý pro mě i pro doktora Kaplana. Profesor Kaplan již dříve publikoval účinky nikotinamidu a jeho analogů a tvorbu a fungování NAD/NADH. v literatuře jsem našel další publikace, v nichž analogy nikotinamidu způsobovaly teratologii u vyvíjejících se kuřecích embryí: jedna skupina molekul způsobovala svalové defekty a jiná skupina molekul defekty kostí a chrupavek. Moje naivní myšlenka byla zpočátku založit kulturu vyvíjejících se embryonálních buněk kosterního svalu kuřat, jak ji v 60. letech popsal Irwin R. Konigsberg a spolupracovníci, a vystavit tyto buňky působení teratogenů a odhalit biochemický mechanismus účinku v procesu myogenního vývoje v buněčné kultuře.
Pro dosažení těchto experimentálních cílů mě Nate Kaplan seznámil s úžasným pánem, profesorem Edgarem Zwillingem z katedry biologie, který souhlasil, že mohu pracovat v jeho laboratoři a vytvořit tento kultivační systém a provádět své experimenty. Zwillinga jsem neznal ani z dálky a nikdy jsem nečetl žádnou z jeho klasických prací z poloviny padesátých let minulého století, které se týkaly vývoje embryonálních zárodků končetin kuřat.
Po nástupu do Zwillingovy laboratoře v roce 1967 jsem pomohl vyvinout technologii izolace nediferencovaných mezodermálních buněk z vyvíjejících se embryonálních zárodků končetin kuřat. Tento systém mi umožnil studovat diferenciaci chrupavky, kosti a svalu odvozených z těchto předpokládaných multipotentních buněk embryonálních zárodků končetin v kultuře, což jsme publikovali v roce 1968 v časopise Science. Projekt, na kterém jsem pracoval jako postdok (1967-1969), se tedy týkal embryonálního vývoje chrupavky, kosti a svalu z vyvíjejícího se mezenchymu, který ukázal, že vnější koncentrace nikotinamidu v buněčné kultuře řídí cytoplazmatickou koncentraci NAD, což se nakonec podílí na polyADP-ribosylaci histonů při diferenciaci buněk. Tato zkušenost mi pomohla odlišit se z vystudovaného biochemika na vývojového biologa, který byl v roce 1969 přijat na katedru biologie Case Western Reserve University, aby s využitím mých nově nabytých odborných znalostí vyučoval jejich dlouholeté kurzy vývojové biologie a embryologie (děkuji ti, Ede Zwillingu).
Anthony Atala: Jak jste se rozhodl pojmenovat buňky, které jste poprvé publikoval v roce 1991, „mezenchymální kmenové buňky“ (MSC)?
Arnold Caplan: Koncem 70. let jsem se zúčastnil Gordonovy konference a byl jsem fascinován přednáškou profesora Marshalla Urista, MD, o účincích demineralizované kosti a tvorbě nové kosti de novo ve svalovém vaku dospělých myší. Marshall Urist byl ortopedický chirurg na Kalifornské univerzitě s inovativní a zvídavou myslí. Popsal demineralizovanou kost z různých zdrojů a popsal, jak lze po odebrání kousku této demineralizované kosti a jejím umístění do svalového vaku dospělé myši po 6 až 8 týdnech pozorovat v tomto abnormálním místě vznik nové kosti. Dr. Urist z toho vyvodil, že se z demineralizované kosti musely vyplavit indukční molekuly a stimulovat progenitorové buňky k tvorbě kosti v tomto abnormálním místě. Tyto faktory pojmenoval kostní morfogenetické proteiny neboli BMP a mnoho let se snažil tyto molekuly z demineralizované kosti vyčistit.
V rámci snahy o purifikaci těchto „BMP“ jsem se zapojil do závodu a vyvinul test na molekuly, které se nacházejí v extraktu demineralizované kosti s vysokým obsahem soli. Extrahované faktory byly umístěny do média, ve kterém se koupaly kultury nediferencovaných embryonálních buněk končetinových zárodků; tyto extrakty způsobily, že buňky vytvořily chrupavku za podmínek, za kterých se chrupavka obvykle nikdy netvořila (studie, kterou jsme publikovali v časopise Developmental Biology v roce 1985). Moje laboratoř se pak snažila tyto molekuly purifikovat a skutečně jsme byli konkurenty a závodili jsme s mým dobrým přítelem Marshallem Uristem.
Koncem 80. let 20. století doktor John Wozney a jeho kolegové ze společnosti Genetics Institute v Cambridgi vyčistili geny, které tyto proteiny kódují. Toto úspěšné úsilí nejen potvrdilo platnost celé práce Marshalla Urista, ale také identifikovalo celou rodinu silných, indukčních molekul z rodiny TGF-B.
Poté, co se mi nepodařilo vyhrát závod s BMP, mě zaujalo původní Uristovo pozorování a představa, že v dospělém myším svalu musí existovat receptivní buňka, která reaguje na BMP. Se Stevenem Haynesworthem, PhD (postdoktorandem v mé laboratoři), jsme začali purifikovat kultivačně adherentní buňky z čerstvých vzorků lidské kostní dřeně (o nichž je známo, že obsahují osteochondrální progenitory), které bylo možné v kultuře expandovat a indukovat do linie chrupavky a kosti. Jedinečným trikem této nové technologie bylo použití optimalizovaného kultivačního média (vybrané šarže fetálního telecího séra), které bylo dříve použito u buněčných kultur embryonálních zárodků kuřat. Vzhledem k mezodermálnímu původu buněk embryonálních kuřecích zárodků končetin jsem tyto adherentní buňky lidské dřeně nazval mezenchymálními kmenovými buňkami (MSC), protože jsme je mohli v kultuře přimět k diferenciaci na mezenchymální fenotypy, a tento termín jsem zavedl v publikaci v časopise Journal of Orthopedic Research v roce 1991.
Anthony Atala: Vím z našich mnoha diskusí a veřejných přednášek, že jste změnil svůj názor na MSC a vytvořil tak v podstatě novou vědeckou „pravdu“.
Arnold Caplan: To souvisí s naším dobrodružstvím na přelomu 80. a 90. let v MSC světě, o kterém jsem se tehdy domníval, že nám dalo nahlédnout do toho, jak se mezodermální tkáně uvnitř těla obměňují a omlazují. Tehdejším dogmatem bylo, že „co jste viděli v kultuře“, to se děje v těle. Toto dogma je dnes naprosto nesprávné, a proto bylo označení těchto buněk za kmenové buňky mým omylem, který jsem se pokusil napravit v roce 2010 v publikaci v časopise Tissue Engineering. Chybou bylo agresivní šíření tohoto konceptu, že MSC v kultuře představují multipotentní buňky, které jsou uvnitř těla a představují nově vytvořenou náhradní tkáň během normálního obratu a procesů reakce na zranění v těle.
Dnes víme, že každá tkáň v těle bez výjimky má vlastní, tkáňově specifické progenitory, jejichž diferenciační schopnost je omezená. Tak srdeční progenitory mohou tvořit pouze srdeční myocyty, ledvinové progenitory mohou tvořit pouze buňky ledvin a progenitor krevních buněk, který byl nazván hemopoetickou kmenovou buňkou. nebyl kmenovou buňkou, ale mohl tvořit pouze mnohočetné fenotypy, které se vyskytují v krvi.
MSC jsou navíc odvozeny z perivaskulárních buněk, a proto je lze izolovat z jakékoli vaskularizované tkáně. Je zřejmé, že MSC nejsou kmenovými buňkami ani neobvyklými multipotentně vázanými progenitory. Tyto buňky jsou sentinely pro monitorování lokálního mikroprostředí v okolí poraněných nebo zanícených cév. Jako Sentinely jsou strážci proti přehnané reakci imunitního systému a infiltraci jiných mikroorganismů, zejména bakterií a virových částic. Toto rozlišení tedy definuje MSC jako jedinečný angažovaný fenotyp, který funguje jak pro analytický průzkum mikroprostředí, tak pro reakci na stres a dysfunkční a potenciálně destruktivní lokální události.
Je důležité zdůraznit, že když jsou tyto MSC kultivačně rozšířeny na více pasáží, jejich genomy jsou derepresovány, a proto reagují na silné indukční látky umístěné v mikroprostředí buněčné kultury. Fenotypová diferenciace, k níž dochází po takovémto snímání kultivačního mikroprostředí, má „sentinelovou aktivitu“ zcela odlišnou od autentické pluri- nebo multipotentní kmenové buňky.
Anthony Atala: v podstatě tedy díky novým vědeckým poznatkům musíme změnit paradigma, pokud jde o náš pohled na funkčnost MSC?
Arnold Caplan: Správně, MSC nejsou kmenové buňky. Ačkoli jsem mylně předpokládal, že MSC budou a mohou poskytovat náhradní buňky za ty buňky, které jsou v místech poranění nebo v místech, kde zralé buňky přirozeně vyhasly, je jasné, že MSC nejsou multipotentní a nemohou se v těle diferencovat do mezenchymálních fenotypů. Kromě toho je nyní známo, že jakmile jsou MSC v kultuře a jsou expandovány, je ovlivněna jejich funkčnost. Zdá se, že proces kultivace dereponuje genom takovým způsobem, že exogenně přidané velmi silné indukční látky mohou stimulovat tyto kultivované buňky ke vstupu do fenotypových linií a jejich postupu. To umožňuje in vitro odděleně pozorovat fenotypy chrupavky, tuku a kosti, když jsou kultivačně rozšířené buňky vystaveny specifickému silnému indukčnímu mikroprostředí, které poskytuje transkripční přístup k různým mezenchymálním fenotypům.
Stejně tak předpoklad, že multipotence pozorovaná in vitro odpovídá tomu, co se vyskytuje v těle, je zjevně nesprávný, protože tato multipotence není součástí normálních funkcí MSC, které se vyskytují v různých tkáních. a konečně, jak ve vědecké komunitě rostla popularita studia MSC, bylo zřejmé, že MSC lze získat z různých tkání. Moderní technologie jednobuněčné RNAseq ukazuje, že při porovnání kultivovaných MSC z lidského tuku nebo MSC z kostní dřeně existuje více než 17 000 společných transkriptů, zatímco každý typ MSC z tkáně má 1400 až 1600 tkáňově specifických sekvencí, které charakterizují MSC získané z těchto tkání, resp. Navíc nyní víme, že MSC vylučují do živného média obrovské množství cytokinů a růstových faktorů, a ačkoli to bylo původně v publikaci v Journal of Cell Physiology v roce 1996 přehlédnuto, tato pozorování zdůrazňují, že tato sekreční schopnost představuje primární funkci těchto buněk.
Anthony Atala: Jak byste dnes definoval hlavní roli MSC?
Arnold Caplan: MSC jsou léčivé; MSC pocházejí z perivaskulárních buněk, které se nacházejí mimo každou cévu v těle a na ní. Když je céva porušená nebo zanícená, perivaskulární buňka, pericyt, se uvolní a některé z těchto uvolněných buněk se diferencují v MSC. MSC lze izolovat na základě jejich přilnutí ke kultivační misce a v takových kulturách rozšířit jejich počet. Takto kultivačně rozšířené MSC mohou být infundovány nebo dodány zpět do těla, kde cirkulují a dokují v místech poranění nebo zánětu. Tyto nově zakotvené MSC jsou schopny zkoumat a vnímat mikroprostředí, ve kterém se nacházejí, a mají naprogramovaný profil odpovědi sekreční aktivity pro dané mikroprostředí. Pokud je mikroprostředí zánětlivé, MSC produkují protizánětlivé molekuly. Pokud je v mikroprostředí obrovské množství bakterií, MSC vylučují zánětlivé molekuly, aby přivedly monocyty a makrofágy do blízkosti těchto invazních bakterií a pokusily se systém a tkáň zbavit těchto infiltrujících vetřelců. MSC jsou tedy místně regulované multidávkovače, které fungují v místech poranění. Když se do krevního systému zvířete nebo člověka přidají MSC expandované v kultuře, přidané MSC vyhledávají místa poškození tkáně a zánětu, zakotví v těchto místech poškození, zkoumají toto místo a poskytují spektrum sekrečních molekul jako odpověď na tuto detekční aktivitu. Říkám, že MSC jsou lékárnami pro místa poškození a zánětu.
Anthony Atala: Můžete se s námi podělit o své poznatky o současném klinickém využití MSC?
Arnold Caplan: Když člověk navštíví webové stránky clinicaltrials.gov a zadá do vyhledávače mezenchymální kmenové buňky, najde tam více než 1000 klinických studií, které jsou uvedeny pro nejrůznější klinické příznaky. Mezi tyto klinické příznaky patří například Crohnova choroba, nemoc štěpu proti hostiteli, roztroušená skleróza, ALS, transplantace ledvin, akutní infarkt myokardu, srdeční selhání, revmatoidní artritida, lupus, autismus, sepse a další. v mnoha případech studie fáze 1 a 2 zaměřené na konkrétní klinickou situaci ukazují, že MSC jsou vysoce účinné. Bylo provedeno pouze několik pokusů o studie fáze 3, ale ve Spojených státech dosud neexistují žádné produkty MSC schválené FDA. Ve světě je schváleno 12 produktů MSC a další studie fáze 3 jsou nyní ve hře pro klinické problémy, jako je mrtvice, bolesti zad a osteoartróza. z výsledků těchto klinických studií je zřejmé, že MSC fungují jako továrny na vylučování cytokinů a růstových faktorů, nikoli jako kmenové buňky.
Anthony Atala: Nedávné publikace ukazují přínos pro pacienty s COVID léčené MSC. Jaký je váš celkový názor na MSC a COVID?
Arnold Caplan: MSC mohou být léčivé pro COVID-19. MSC byly použity ve více než 135 klinických studiích pro léčbu pacientů s COVID-19 (clinicaltrials.gov). Literatura jasně dokumentuje, že MSC mohou zvládnout „cytokinovou bouři“ imunitního systému u pacientů nakažených SARS-CoV-2; MSC mohou usnadnit regeneraci tkání, včetně plic a cév; mohou produkovat molekuly, které mohou zabíjet bakterie masivně infikující plíce pacientů nakažených COVID-19; a že MSC byly použity při léčbě bolesti. Virus SARS-CoV-2 má vnější protein, nazývaný Spike protein, který se váže na receptor na povrchu buněk, nazývaný AEC-2. Po vstupu do buňky se virus replikuje a nakonec buňku usmrtí a pronikne ven, čímž způsobí defekt tkáně. Pokud k tomu dojde v plicním cévním řečišti, lze pochopit, jak mohou vznikat nebezpečné sraženiny. MSC produkují molekuly, které se mohou vázat na proteiny Spike a/nebo receptory AEC-2, nebo na oba tyto proteiny; takovéto MSC produkované proteiny mohou vyřadit částice viru z jejich agresivního replikačního cyklu.
V čínském Pekingu v nemocnici YouAn bylo od 23. ledna do 16. února 2020 (dlouho předtím, než jsme se dozvěděli, že virus SARS-CoV-2 je již v USA) hodnoceno sedm kriticky nemocných pacientů s COVID-19 po dobu 14 dnů po infuzi alogenních MSC získaných z dřeně a rozšířených kultur. Tato infuze MSC vyléčila nebo významně zlepšila funkční výsledky těchto sedmi těžce infikovaných pacientů bez jakýchkoli nežádoucích příhod. Plicní funkce a symptomy se významně zlepšily do 2 dnů po transplantaci MSC. Po léčbě se zvýšil počet periferních lymfocytů, snížil se obsah C-reaktivních proteinů a za 3-6 dní vymizely nadměrně aktivované imunitní buňky vylučující cytokiny CXCR3+CD4+ T-buňky, CXCR3+CD8+ T-buňky a CXCR3+ NK-buňky. Kromě toho se dramaticky zvýšila skupina CD14+CD11c+CD11bmid regulačních dendritických buněk (DC). Mezitím se u pacientů léčených MSC ve srovnání se skupinou s placebem významně snížila hladina TNF-alfa, zatímco IL-10 se zvýšil. Jedná se o první zdokumentovanou terapeutickou aplikaci alogenních, kultivačně expandovaných MSC u pacientů s COVID-19. Pozitivní terapeutické účinky MSC v dalších klinických studiích fáze 1 a 2 při léčbě pacientů s COVID-19 byly nedávno publikovány jako metaanalýza W. Qu et al.
Anthony Atala: Podílel jste se na výzkumu týkajícím se MSC a COVID?
Arnold Caplan: Protože aminokyselinová sekvence proteinu Spike a antivirových proteinů, které jsou produkovány MSC, je známá, provedli jsme s kolegy počítačové simulace vazby a mohli jsme dokumentovat, že antibakteriální/antivirový protein LL-37 se může silně a speciálně vázat na protein Spike a na receptor AEC-2. Kromě toho byl v roce 2021 v časopise ACS Infectious Diseases publikován rukopis dalších badatelů dokumentující stejná pozorování, který napsali Wang et al. z výše uvedeného lze tvrdit, že alogenní, kultivačně expandované MSC mají schopnost být léčebným prostředkem pro pacienty s těžkou infekcí COVID-19.
Anthony Atala: Jak byste shrnul své myšlenky v této oblasti na základě všech současných dostupných údajů o využití MSC pro tolik různých aplikací?
Arnold Caplan: Musím říci, že MSC nejsou kmenové buňky, ale mají přirozeně hlubokou funkčnost jako strážci poranění a tkáňové dysbalance. Existuje hodně přes 70 000 publikací o MSC (PubMed, mesenchymal stem cells) a v poslední době se v těchto publikacích zdůrazňuje léčebná schopnost MSC. Tyto nové údaje a využití nových technologií, jako je single-cell RNAseq, se zaměřily na rozdíly i společné rysy MSC. Z biologického hlediska dává dokonalý smysl, že kultivované MSC z jednoho zdroje, jako je tuk nebo kostní dřeň, jsou heterogenní populace. Pericyty z cévního řečiště hluboko uvnitř tukové tkáně a ty z vnějšího prostředí pocházejí z různých mikroprostředí a tato různá prostředí poskytují buňkám, které se z těchto tkáňových míst uvolňují, odlišnou povrchovou chemii. Které z těchto různých MSC jsou terapeutické, nebo jsou všechny potřebné k dosažení terapeutického cíle? MSC navíc nezůstávají v místě tkáně příliš dlouho poté, co byly přidány do těla, ale terapeutické účinky lze pozorovat mnoho měsíců po počátečním působení MSC. Je zřejmé, že MSC mohou být instruktivní pro monocyty a makrofágy a mohou způsobit vznik T-regulačních buněk, které zůstávají v místě tkáně po několik let. Důležité je, že například buňky CAR-T, které byly exogenně manipulovány a poté znovu zavedeny do těla dárce, lze nalézt u pacientů bez rakoviny i po uplynutí 10 let, jak nedávno publikovala v časopise Nature skupina Carla Juna. Buněčná terapie, jako je CAR-T, může být léčivá u některých druhů rakoviny a MSC mohou být léčivé u těžkých infekcí COVID-19 díky molekulárním mechanismům, které byly popsány. Ani CAR-T, ani MSC nejsou kmenové buňky, ale spíše léčivé buňky, které vytvářejí terapeutické látky nebo stimulují produkci terapeutických buněk na správném místě ve správný čas.
Anthony Atala: Nějaká moudra na závěr pro naše čtenáře?
Arnold Caplan: My, kteří jsme se podíleli na její výchově, jsme se smířili s tím, že budeme měnit naše vědecké pravdy, jakmile bude k dispozici více informací. Odpůrci buněčné terapie prokázali lékařské profesi a pacientům velkou službu tím, že nás podnítili k dalšímu zdokonalování těchto účinných terapeutik, jak jsem nedávno upozornil v roce 2019 v časopise Tissue Engineering. To umožnilo upravit tehdejší dogmata tak, aby umožnila účinnější využití terapií založených na buňkách.
Zdroj: https://academic.oup.com/stcltm/advance-article/doi/10.1093/stcltm/szac026/6585262
