Nature Biotechnology：组织工程角膜，走进临床！
奇物论
2022-08-23
未曾失去就不知珍惜，没有人比失明者更期盼光明。失去五彩的世界与爱人的容貌，陪伴着模糊与彷徨，未曾经历的人无法体会其中的绝望。对于大多数失明者来说角膜透明性丧失和屈光功能差是主要原因。可喜的是角膜失明可以通过移植治疗，可惜的是预估全球有1270万人在等待角膜供体，即每70个等待者就只有一个人可以拥抱光明。每年角膜失明的新发病例超过100万例，供体角膜的严重短缺造成了严重的不平等失明负担，尤其是亚洲、非洲和中东的中低收入国家。准入问题很复杂，涉及经济、文化、技术、政治和道德障碍。此外，传染病和大流行使供体组织采购和使用几乎停滞不前，因此需要采取进一步措施来确保供体组织安全。由于这些原因，大量的研究工作集中在用于角膜移植的生物工程组织移植物上。然而，迄今为止，还没有生物技术进展能够解决角膜盲症的负担或改善可移植角膜组织的获取。近日，瑞典林雪平大学生物医学工程系的Neil Lagali教授与Mehrdad Rafat主导了一项基于无细胞工程角膜组织(BPCDX)的微创植入手术用于20名晚期圆锥角膜病变者治疗的临床试验。作者团队在患者患处植入了BPCDX，在无切除现有组织与缝线的情况下重塑人体天然角膜基质。在临床随访的24个月中，任何受试者均未发现术中或术后并发症或不良事件。患者的恢复情况与临床目前的标准角膜移植的结果相近，但该技术采用更简单，并且不需要人类供体组织。BPCDX是一种角膜植入物，由纯化的医用级I型猪胶原蛋白制成。BPCDX中没有细胞或活性生物材料，它是一种III类医疗器械，旨在模仿天然角膜的特性。BPCDX中的胶原蛋白在化学和光化学上是双交联的，赋予强度和抗降解性。与单交联 BPC 相比以及早期报道的生物工程猪胶原蛋白基角膜相比，BPCDX传输的可见光类似于人类角膜并在不牺牲透明度的情况下表现出更好的机械性能。在胶原酶溶液孵育后评估BPCDX的降解性。BPCDX的降解速度比BPC慢，表明双交联的抗降解性增加。生物相容性测试协议由独立的良好实验室规范（GLP）认证的实验室根据ISO 10993-1：2018进行。结果表明，BPCDX无细胞毒性，无刺激性，无毒性，无致敏性，无遗传毒性，非热原性和耐受性良好。内毒素在医用设备制造过程中作为常规质量控制测试，根据ISO 11979-8和ISO 15798进行评估。独立实验室测试结果显示，每件医用设备<0.091 ±0.001 EU。十只哥廷根小猪接受飞秒激光基质内角膜移植术，五只小猪进行自体移植，另外一组移植280μm厚，直径为7mm的BPCDX。所有手术都取得了成功，唯一的术中并发症是中心变化，大多数植入物都发生了偏移并偏向边缘。这种并发症源于小猪的解剖结构，由于眼球向后滚动运动进入眼窝，因此无法正确贴合眼睛。术后六个月，四只自体移植组和五只BPCDX组的中央角膜变成透明。显微镜和光学相干断层扫描（OCT）成像表明，两组中的切口区域部分变薄和透明度降低。在该区域之外，厚度和透明度得以保持。OCT成像表明BPCDX稳定没有退化，并且前后折射表面光滑。术后6个月对所有角膜层进行体内共聚焦显微镜检查，显示两组上皮细胞嵌合物完整，基底下神经保留，前后基质和内皮均正常。BPCDX除了一些细胞特征外，仍然没有细胞。基质内手术保留了细胞层，避免了标准手术中出现的神经、上皮细胞和角质细胞的长期不良影响。组织学分析表明基质内手术后上皮和基质伤口愈合。在自体移植中，上皮异常厚，并且注意到前基质细胞的数目增高。对于BPCDX，上皮表现出正常的上皮分层，植入物完好无损。基质细胞与BPCDX-宿主界面对齐，移植物内有一些细胞，但没有引发移植物降解或强烈的炎症反应。宿主细胞存在于BPCDX的外周边缘，它似乎与宿主基质整合。宿主细胞迁移和基质粘附提示 BPCDX 的组织生物相容性。当神经路径与角膜切片位于同一平面时，观察到更厚的基质神经。基底下和基质神经对上皮健康、基质完整性和伤口正常愈合至关重要。白细胞标志物CD45在天然基质和自体移植物中不存在，而BPCDX边缘可以观察到CD45阳性，这与先前对巨噬细胞相关外周移植物边界重塑的观察结果一致。由于在小型猪模型中缝合与切口部分的角膜变薄变浑浊，作者团队开发了无缝合FLISK,以最大限度地减少人类受试者的并发症。在FLISK中避免缝合消除了在LMICs手术的额外障碍，避免了时间，成本，缝合引起的屈光不正以及需要额外的医院就诊以随后调整和移除缝合的问题。试点研究地点有大量患有晚期圆锥角膜和严重视力障碍的人群，由于缺乏人类供体组织，他们得不到治疗。由于缺乏治疗方案，伊朗和印度给予了伦理批准，以进行首个BPCDX植入试点。作为预防措施，手术被错开，以确保在治疗随后受试者之前对先前术后反应进行适当的评估。在20名受试者中将BPCDX植入基质内角膜中，而无需去除宿主组织。基质内手术在薄角膜上实施是可行的，没有术中并发症。用标准手术镊子将BPCDX插入基质内角膜切口中。BPCDX没有挤出或脱位，并且在任何受试者中都没有大学到通道切割区域的变薄或疤痕形成。在裂隙灯观察时未发现结膜发红、前房角度异常或泪膜质量改变。体内共聚焦显微镜检查的受试者表现出完整的基底下神经和足够的内皮细胞密度。所有受试者术后角膜透明度保持在最高水平（4 +），均未发生排斥反应，炎症，血管形成，瘢痕形成或其他不良事件。在印度队列中，术后第一周的角膜透明度评估显示，8名受试者中有5名出现短暂的雾霾，将透明度等级降至3 +。在为期1周的随访中，所有受试者的透明度提高到4+，此后保持稳定。在印度受试者中测量眼内压，并注意到小幅增加，但不被认为是高的，不需要降压药物。在疗效方面，所有受试者中央角膜厚度显著增加数百微米（P <0.001），维持在24个月。平均前角膜曲率和最大角膜顶端曲率在两个队列中均显著减少，表明有效扁平化。虽然没有采取具体措施来优化术后屈光结局，但伊朗队列中12名受试者中有11名和印度队列中的所有8名受试者在视力方面都有显着提高。最后，虽然20名受试者中共有14名在术前是法定的失明(logMAR的BCVA≥1.30并且隐形眼镜不耐受)，但在最终随访时，这些眼睛均不再符合法定失明。虽然以前的临床研究侧重于人类供体组织，但生物工程植入式组织是解决角膜失明全球负担的关键。大多数临床研究虽然在生物材料特性方面取得了重大进展，但只解决了相对罕见的角膜失明原因，如化学灼伤、感染、溃疡或高风险病例，他们的目的是稳定病情并避免失明，但不是优化视力。迄今为止，只有两项临床研究解决了圆锥角膜问题，但是一种仍然需要人类供体组织，组织库和额外的抽脂手术，另一项研究未能使角膜增厚或提供完全透明。以前的研究都没有研发一种商业上和临床上均可行的GMP级角膜，一种由可持续来源，经济高效，广泛可用和FDA批准的原材料制备的生物工程角膜。没有其他技术能够实现符合ISO标准和独立第三方的可制造性，包装，无菌性和长保质期认证。然而，这些经常被忽视的方面对于解决全球缺乏供体角膜组织的实际问题至关重要。从安全性的角度来看，BPCDX在迄今为止的大多数临床前和临床研究中没有导致角膜变薄、透明度丧失、新生血管形成、排斥或其他不同程度的不良事件。从功效的角度来看，以前的研究都没有在体内实现充分的角膜透明度，并具有足够的角膜增厚和扁平，或者如本文报道的那样具有显着的视力提高。作者团队的研究有几个局限性。首先缺乏接受供体角膜的对照受试者，无法与晚期圆锥角膜的标准手术直接比较。由于缺乏治疗替代方案，可能存在对受试者纳入的偏见。研究是独立进行的，包括患者选择，手术参数，BPCDX大小和厚度的选择，术后药物，临床数据收集和当地研究人员决定的结局参数的测量，阻止了对结果的联合分析。此外，没有对最大的视力收益进行优化。虽然BPCDX仅以两种厚度制造用于中试研究，但BPCDX可以制造用于定制处理，包括不均匀或锥形厚度，以优化折射和视觉结果。未来的研究应定义术前角膜参数和 BPCDX 设计，从而获得最佳视力结果。此外，应长期研究组织整合，稳定性和临床结局。需要定量评估前房角、结膜发红、眼表和泪膜特性以及后节段，以研究基质内 BPCDX 植入对其他眼部结构的可能影响。需要进一步研究将结果推广到更广泛的患病人群和不同的中心。Mehrdad Rafat, Mahmoud Jabbarvand, Namrata Sharma, et al. Bioengineered corneal tissue for minimally invasive vision restoration in advanced keratoconus in two clinical cohorts. Nat Biotechnol. 2022 Aug 11.https://www.nature.com/articles/s41587-022-01408-w
