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神經(jīng)干細(xì)胞移植技術(shù)將治療腦卒中推向臨床應(yīng)用

腦卒中是全球死亡和殘疾的主要原因,缺血性中風(fēng)占中風(fēng)的80%以上。在美國(guó),估計(jì)約有700萬成年人有中風(fēng)病史,約占人口的 2.5%。目前有效的治療方法包括再灌注療法,例如重組組織纖溶酶原激活劑;但這必須在有限的時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行(中風(fēng)發(fā)作后4.5小時(shí)內(nèi));因此,只有2-4%的患者從中受益。中風(fēng)后殘疾帶來嚴(yán)重的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān);很少有人自發(fā)康復(fù),很多人永久殘疾。傳統(tǒng)的康復(fù)治療往往收效甚微。

神經(jīng)干細(xì)胞移植技術(shù)將治療腦卒中推向臨床應(yīng)用

受損的中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 自我修復(fù)的能力是有限的,因此尋找促進(jìn)恢復(fù)的替代方法將徹底改變中風(fēng)治療。干細(xì)胞療法是一種新型療法,有望替代急性期溶栓和慢性期康復(fù)。神經(jīng)干細(xì)胞 (NSC) 和神經(jīng)干/祖細(xì)胞 (NSPC) 被認(rèn)為是建立干細(xì)胞庫的理想候選者,干細(xì)胞庫可以為修復(fù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和血管重塑提供持續(xù)供應(yīng)的神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞。

使用神經(jīng)干細(xì)胞進(jìn)行移植治療腦卒中具有四個(gè)被廣泛接受的優(yōu)點(diǎn):

(1)比胚胎干細(xì)胞(ESCs)具有更高的腦樣相似性;神經(jīng)干細(xì)胞可以分裂和分化成與其周圍微環(huán)境中的細(xì)胞相對(duì)應(yīng)的細(xì)胞類型,并且它們的形態(tài)和功能與附近的宿主細(xì)胞非常相似。

(2) 比間充質(zhì)干細(xì)胞更容易遞送;中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有特殊的結(jié)構(gòu),即血腦屏障 (BBB),使外源性“種子細(xì)胞”難以進(jìn)入,而常規(guī)移植到室管膜下區(qū)或齒狀回的神經(jīng)干細(xì)胞具有“占位符”效應(yīng)。

(3) 比神經(jīng)元類似物更低的排斥反應(yīng);即使對(duì)于移植的個(gè)體間或物種神經(jīng)干細(xì)胞,免疫排斥也極為罕見。

(4) 較強(qiáng)的趨化性和遷移能力;神經(jīng)干細(xì)胞具有遷移到受損部位的能力。

神經(jīng)干細(xì)胞移植技術(shù)將治療腦卒中推向臨床應(yīng)用

本綜述總結(jié)了近期發(fā)表的研究成果,重點(diǎn)關(guān)注神經(jīng)干細(xì)胞來源、和機(jī)制以及臨床試驗(yàn),旨在為治療干預(yù)提供決策依據(jù),并為未來神經(jīng)干細(xì)胞移植治療腦卒中推向臨床應(yīng)用的研究方向提供建議。

神經(jīng)干細(xì)胞的類型和來源

胚胎干細(xì)胞衍生的神經(jīng)干細(xì)胞系(胚胎供體):這些細(xì)胞系是源自早期胚胎或胚胎神經(jīng)組織的NSC。早期ESC是受精后5-7天、植入子宮之前胚泡中的未分化細(xì)胞。它們是全能干細(xì)胞,具有發(fā)育成任何細(xì)胞類型的能力。部分外胚層會(huì)分化成神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞。

成人腦神經(jīng)干細(xì)胞系(成人供體):人腦中有兩個(gè)主要的神經(jīng)源性生態(tài)位,即腦室下區(qū) (SVZ) 和亞顆粒區(qū),可以從中獲得成人NSC。

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的神經(jīng)干細(xì)胞:高橋等人成功將人類細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC),這些細(xì)胞已成為理想的自體移植細(xì)胞資源。移植的iPSC-NSCs在中風(fēng)治療中的優(yōu)勢(shì)很多,例如增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)感覺功能、減少梗死面積、促進(jìn)軸突發(fā)育、促進(jìn)血管生成和調(diào)節(jié)炎癥因子。

目前神經(jīng)干細(xì)胞移植治療腦卒中的臨床級(jí)產(chǎn)品有哪些

已在臨床試驗(yàn)中探索了轉(zhuǎn)基因干細(xì)胞系。修飾的細(xì)胞系可以在體外以穩(wěn)定的速率無性繁殖,形成永生化細(xì)胞系。永生化細(xì)胞系具有增殖能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好、細(xì)胞身份易控制和同化入人體組織等優(yōu)點(diǎn)。

CTX0E03:CTX0E03是一種人類神經(jīng)干細(xì)胞系,已使用與突變雌激素受體融合的條件永生化c-MYC基因進(jìn)行基因修飾。無血清生產(chǎn)的CTX0E03被認(rèn)為是最有希望的治療級(jí)人類神經(jīng)干細(xì)胞系。

Sinden等人的評(píng)論詳細(xì)介紹了CTX細(xì)胞治療從實(shí)驗(yàn)室起源到臨床進(jìn)展的全過程。人類神經(jīng)干細(xì)胞 (CTX0E03) 的移植促進(jìn)了中風(fēng)患者的顯著行為恢復(fù)。恢復(fù)程度與細(xì)胞劑量和旁分泌機(jī)制呈正相關(guān)(表格1)。

代號(hào)初始來源處理方法細(xì)胞來源臨床前研究證據(jù)臨床試驗(yàn)疾病限制參考
CTX0E3同種異體用c-mycER轉(zhuǎn)染永生化人類神經(jīng)干細(xì)胞系神經(jīng)發(fā)生和血管發(fā)生(外泌體)NCT01151124慢性缺血性中風(fēng)入學(xué)后長(zhǎng)期恢復(fù)Stroemer等人2009年;
Kalladka等人2016年
NT2N同種異體視黃酸處理后的體外神經(jīng)元表型克隆人畸胎癌細(xì)胞系多巴胺能表型納爾遜等人。(2002)PD、HD、外傷腫瘤形成經(jīng)歷;凋亡樣細(xì)胞死亡;對(duì)中風(fēng)的治療影響可忽略不計(jì)Borlongan等人1998年;
赫爾伯特等人1999年;
貝克等人2000年;尼爾森等人2002年
SB623同種異體含有Notch-1胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)染表達(dá)載體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)、血管生成和神經(jīng)保護(hù)作用NCT01287936慢性穩(wěn)定性中風(fēng)和外傷更少的研究和試驗(yàn);非隨機(jī)設(shè)計(jì)Dezawa等人2004年;
斯坦伯格等人2016年
NSI-566同種異體未經(jīng)基因改造的單個(gè)胎兒脊髓原代貼壁人神經(jīng)干細(xì)胞系與宿主組織整合;免疫抑制作用NCT03296618肌萎縮側(cè)索硬化癥、脊髓損傷較少的臨床試驗(yàn)Glud等人2016年;
柯蒂斯等人2018年;
張等人2019a
臨床級(jí)神經(jīng)干細(xì)胞產(chǎn)品

NT2N:NT2N (hNT) 細(xì)胞是源自克隆人畸胎癌細(xì)胞系的神經(jīng)元,在體外視黃酸處理后獲得永久性的有絲分裂后神經(jīng)元表型,并已顯示在體內(nèi)形成操作性突觸和分泌神經(jīng)遞質(zhì)。

SB623:SB623細(xì)胞是通過用編碼人NOTCH1細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域的表達(dá)載體瞬時(shí)轉(zhuǎn)染間充質(zhì)干細(xì)胞而開發(fā)的,并且已顯示在實(shí)驗(yàn)性局灶性缺血后遞送至嚙齒動(dòng)物大腦后可減少病變體積并促進(jìn)功能恢復(fù)。

NSI-566:NSI-566是一種來自單個(gè)胎兒脊髓的穩(wěn)定的初級(jí)貼壁人-NSC 系,未經(jīng)基因改造,已獲得美國(guó)食品和藥物管理局的臨床試驗(yàn)授權(quán)。它在完成的II期肌萎縮側(cè)索硬化癥和I期脊髓損傷試驗(yàn)中顯示出良好的安全性和耐受性。

神經(jīng)干細(xì)胞移植治療腦卒中的作用機(jī)制

歸巢和細(xì)胞更換:歸巢是神經(jīng)祖細(xì)胞 (NPC)/NSC 利用趨化性移動(dòng)到損傷部位的過程。

旁分泌作用:隨著研究的進(jìn)展,用干細(xì)胞替代丟失的神經(jīng)元被證明不是主要的神經(jīng)重塑機(jī)制,因?yàn)楦杉?xì)胞替代不能完全解釋在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象。

旁分泌證據(jù):首先,示蹤方法表明,歸巢干細(xì)胞的數(shù)量遠(yuǎn)小于移植的干細(xì)胞數(shù)量,通過動(dòng)靜脈途徑注射的細(xì)胞仍然可以發(fā)揮作用。此外,人們認(rèn)為血管通路中的干細(xì)胞很少通過BBB。其次,細(xì)胞替代機(jī)制不能解釋早期NSC移植的功效;神經(jīng)細(xì)胞的分化、突觸的重建和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重排很難在短時(shí)間內(nèi)完成。

旁分泌囊泡:細(xì)胞外囊泡被認(rèn)為是介導(dǎo)受損腦組織恢復(fù)的關(guān)鍵。外泌體和microRNA (miR) 的發(fā)現(xiàn)為大腦重塑過程和細(xì)胞修復(fù)機(jī)制提供了基礎(chǔ)。

炎癥效應(yīng):繼發(fā)性炎癥加劇中風(fēng)后少突膠質(zhì)細(xì)胞死亡,和含有內(nèi)源性T調(diào)節(jié)細(xì)胞的干細(xì)胞可以調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子和白細(xì)胞介素6的水平并抑制白質(zhì)損傷。調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵步驟是抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的活化。

神經(jīng)干細(xì)胞移植治療腦卒中的臨床試驗(yàn)概述

臨床試驗(yàn)比動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)更難推進(jìn)。自2020年4月20日以來,已有88項(xiàng)中風(fēng)臨床試驗(yàn)在ClinicalTrials.gov注冊(cè)。在涉及神經(jīng)干細(xì)胞的六項(xiàng)研究中,三項(xiàng)已公布了結(jié)果。還有兩項(xiàng)針對(duì)兒童缺氧缺血性腦病和缺血相關(guān)性腦癱的神經(jīng)干細(xì)胞移植的臨床試驗(yàn)。表2)。

使用神經(jīng)干細(xì)胞治療中風(fēng)的臨床試驗(yàn)(主動(dòng)和募集)

NCT numberTittleStatusInterventionsStudy typeOutcome measurePopulationSponsorProcess observed
NCT03296618Intracerebral transplantation of neural stem cells for the treatment of ischemic strokeActive (completed)NSI-566: A group: 1.2 × 107; B group: 2.4 × 107; C group: 7.2 × 107Interventional (one-time intra-cerebral injections)AE & NIHSS & mRS, MMSE, FMMSEnrollment: 9; age: 33–65 yr (150–743 d post-stroke)Suzhou Neuralstem Biopharmaceuticals Neuralstem Inc.NP; NG; MR; VR
NCT03725865A clinical study of iNSC intervent cerebral hemorrhagic strokeNot yet recruitingiNSCsInterventionalEmergent AEEnrollment:12; age: 30–65 yr; sex: bothAllife Medical Science and Technology Co. Ltd.NP; NG; MR; VR
NCT01151124Pilot investigation of stem cells in strokeActive (completed)CTX0E03 (NSCs), single doses of 2 million, 5 million, 10 million, or 20 million cellsIntervention (stereotactic ipsilateral putamen injection)AE&BI& MMSE, mRS, EQ-5DEnrollment: 12; age: 60–85 yr (29 mon post-stroke); sex: maleReNeuron Limited (Division of Clinical Neurosciences, Glasgow)NP; NG; MR; VR
NCT03629275Investigation of neural stem cells in ischemic strokeRecruitingCombination product: CTX0E03 drug product and delivery device; Drug: placeboInterventionmRS at 6 mon BI; basic mobility changing and TUG, CAHAI & SDMT & COWAT & MNT & MCAEnrollment: 110; Age: 35–75 yr (adult, older adult); aex: bothReNeuron Limited (University of California, Irvine, CA, USA)NP; NG; MR; BN; VR
NCT02854579Neural progenitor cell and paracrine factors to treat hypoxic ischemic encephalopathyActive (completed)Biological: NPC; Biological: paracrine factors; Biological: progenitor cell and paracrine factorsInterventional; intra-cerebral injectionsNeonatal behavioral assessment; adverse events; Bayley score; Peabody development measure scale; MRI or CTEnrollment:120; age: up to 14 d (child); sex: bothNavy General Hospital, Beijing, ChinaNP; NG; MR; BN; VR
NCT02117635Pilot investigation of stem cells in stroke phase II efficacyCompleteBiological: CTX DPInterventionalARAT and after CTX; NIHSS; RFA & BI after CTX; Safety/ Tolerability; FMMS after CTXEnrollment: 23; age: 40 yr older (adult, older adult); sex: bothReNeuron Limited (Queen Elizabeth Hospital, Birmingham, UK)NP; NG; MR; VR;
NCT04047563Efficacy of sovateltide (PMZ-1620) in patients of acute ischemic strokeRecruitingDrug: PMZ-1620 (sovateltide) along with standard treatmentInterventional, phase 3NIHSS/mRS; change in quality-of-life; change in Stroke-Specific Quality of LifeEnrollment: 110; age: 18–78 yr (adult, older adult); sex: bothPharmazz, Inc.NP; NG; MR; VR
NCT03005249Neural stem cells therapy for cerebral palsyRecruitingBiological: NSCInterventional, intranasal administrationGMFM-88 score; Fine Motor Function Measure score; modified Ashworth Scale score; AEEG/ MRI/EMGEnrollment: 20; age: 1–12 yr (child); cerebral palsyThe First Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian, ChinaNP; NG; MR; VR
2020 年4月20日從ClinicalTrials.gov獲得的信息

AE:不良事件;AEEG:振幅綜合腦電圖;ARAT:行動(dòng)研究手臂測(cè)試;BI:巴塞爾指數(shù);BN:大腦網(wǎng)絡(luò);CAHAI:Chedoke 手臂和手部活動(dòng)量表;COWAT:受控的口語聯(lián)想任務(wù)(語言技能);CTX:CTX0E03,人類NSC系;DP:藥品;肌電圖:肌電圖;EQ-5D:EuroQol-5D;FMMS:Fugl-Meyer 運(yùn)動(dòng)評(píng)分;GMFM-88:粗大運(yùn)動(dòng)功能測(cè)量?jī)x-88;iNSC:誘導(dǎo)的 NSC;MCA:蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估(語言技能);MMSE:簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查;MNT:多語言命名測(cè)試(語言技能);MR:髓鞘修復(fù);mRS:改良Rankin量表;NG:神經(jīng)突生長(zhǎng);NIHSS:美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院卒中量表;NP:神經(jīng)元極性;NPC:神經(jīng)祖細(xì)胞;NSCs:神經(jīng)干細(xì)胞;射頻識(shí)別:Rankin 重點(diǎn)評(píng)估;SDMT:符號(hào)數(shù)字模式測(cè)試(語言技能);TUG:定時(shí)啟動(dòng)測(cè)試;VR:血管再生。

NCT01151124是近年來干細(xì)胞治療腦卒中最有影響的臨床研究之一。CTX0E03細(xì)胞的良好功效和安全性為人類神經(jīng)干細(xì)胞移植項(xiàng)目的開展提供了足夠的信心。由ReNeuron (PISCES-III) 公司主持的NCT03629275研究將包括比NCT01151124試驗(yàn)(12個(gè)中心,預(yù)計(jì)110名患者)更多的參與者,以進(jìn)一步證明CTX0E03細(xì)胞的臨床效果。

需要注意的是,ReNeuron還為中風(fēng)患者使用了人胎神經(jīng)干細(xì)胞移植,并且在I期和II期研究中未發(fā)現(xiàn)細(xì)胞相關(guān)或免疫學(xué)不良事件(分別為11和42名患者)。然而,從Steinberg等人的SB623移植試驗(yàn)的積極結(jié)果來看。招募了18名穩(wěn)定的慢性卒中患者,還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,盡管具有長(zhǎng)期療效,但移植的安全性不容忽視。

使用NSI-566細(xì)胞進(jìn)行的NCT03296618研究最近發(fā)表了令人鼓舞的結(jié)論,這些細(xì)胞以前曾在脊髓損傷方面進(jìn)行過臨床試驗(yàn)(Curtis 等人,2018年)。三個(gè)隊(duì)列被一次性腦內(nèi)注射1.2×107、2.4× 107或7.2 ×107的NSI-566細(xì)胞移植,用于治療慢性運(yùn)動(dòng)性卒中導(dǎo)致的偏癱,以確定未來試驗(yàn)的最大耐受劑量。用他克莫司進(jìn)行免疫抑制治療28天。12個(gè)月后,9名參與者的平均Fugl-Meyer運(yùn)動(dòng)評(píng)分顯示改善16點(diǎn)(P=0.0078),平均改良Rankin量表顯示改善0.8點(diǎn),平均美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院卒中量表顯示改善3.1個(gè)點(diǎn)。在24個(gè)月的隨訪中,這些變化保持穩(wěn)定。

神經(jīng)干細(xì)胞移植治療腦卒中目前面臨的問題

細(xì)胞來源:盡管取得了積極的成果,但神經(jīng)干細(xì)胞的臨床應(yīng)用卻很困難。神經(jīng)干細(xì)胞臨床試驗(yàn)中遇到的問題之一是細(xì)胞來源。自體細(xì)胞的排斥相對(duì)不常見,但與胎兒神經(jīng)干細(xì)胞相比,成人神經(jīng)干細(xì)胞的數(shù)據(jù)非常有限,缺乏系統(tǒng)表征和提取部位的差異。

時(shí)間:移植時(shí)間是否應(yīng)選擇在卒中急性期(24-72小時(shí)內(nèi))尚有爭(zhēng)議。在此期間接收者的狀態(tài)很難估計(jì)。在卒中恢復(fù)期和慢性卒中期(卒中后90天)可提倡神經(jīng)干細(xì)胞治療??傊窠?jīng)干細(xì)胞移植時(shí)間最有可能在受傷后一百天左右最有益。目前進(jìn)行的所有I期臨床試驗(yàn)都假設(shè)治療期越長(zhǎng),細(xì)胞對(duì)人身安全構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)就越小。

評(píng)估移植途徑和細(xì)胞劑量:不同給藥途徑的有效劑量顯著不同:靜脈內(nèi)>動(dòng)脈內(nèi)>鞘內(nèi)>腦內(nèi)。

對(duì)于中風(fēng),NSPCs主要使用腦內(nèi)途徑進(jìn)行研究。腦內(nèi)注射的神經(jīng)元可以重建宿主大腦中受損的長(zhǎng)軸突投射和突觸連接。與康復(fù)對(duì)照組相比,接受治療的慢性中風(fēng)患者的運(yùn)動(dòng)功能也得到了顯著改善。

腦內(nèi)和鞘內(nèi)給藥快速而直接,但兩者都是具有高風(fēng)險(xiǎn)的侵入性治療,如繼發(fā)性腦水腫和顱內(nèi)高壓。基礎(chǔ)研究表明,細(xì)胞替代不是干細(xì)胞的主要治療機(jī)制,干細(xì)胞具有遷移能力;因此,需要重新評(píng)估以這種方式將細(xì)胞運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。

與手術(shù)植入相比,動(dòng)脈內(nèi)和血管內(nèi)注射侵入性更小,更容易進(jìn)行,但可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重后果,例如血管閉塞和肺栓塞。血管輸送可能對(duì)細(xì)胞存活產(chǎn)生重大影響,并且很難確保有效數(shù)量的細(xì)胞通過BBB。所以,沒有足夠的證據(jù)表明NSC遞送的血管途徑具有治療潛力。

值得注意的是,正在評(píng)估一些更無創(chuàng)且可接受的遞送途徑。例如,在鼻內(nèi)給藥后,干細(xì)胞和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子可以通過喙?fàn)畎暹w移到中樞神經(jīng)系統(tǒng)中。這NCT03005249試驗(yàn)已注冊(cè)用于神經(jīng)干細(xì)胞鼻內(nèi)給藥。

結(jié)論

神經(jīng)干細(xì)胞移植有利于損傷后大腦結(jié)構(gòu)和功能的修復(fù),并在臨床前和臨床研究中得到充分驗(yàn)證。預(yù)計(jì)神經(jīng)干細(xì)胞移植將在腦卒中的治療中取得顯著成果。然而,神經(jīng)干細(xì)胞的臨床應(yīng)用仍有幾個(gè)緊迫的問題需要解決。

  • 1、對(duì)網(wǎng)絡(luò)微環(huán)境的功能恢復(fù)過程和結(jié)構(gòu)修復(fù)機(jī)制進(jìn)行了深入細(xì)致的解釋;
  • 2、深入研究神經(jīng)干細(xì)胞移植的治療機(jī)制;
  • 3、選擇最合理的給藥途徑、劑量和時(shí)機(jī);
  • 4、完善評(píng)價(jià)體系和倫理標(biāo)準(zhǔn)。我們的綜述初步總結(jié)了目前神經(jīng)干細(xì)胞神經(jīng)再生和腦卒中損傷后功能恢復(fù)的機(jī)制。圖2。
神經(jīng)干細(xì)胞移植治療中風(fēng)的臨床試驗(yàn)的步驟和挑戰(zhàn)
圖2:綜述總結(jié)了神經(jīng)干細(xì)胞移植基礎(chǔ)研究和中風(fēng)治療臨床試驗(yàn)的步驟和挑戰(zhàn)。

NSCs具有獨(dú)特的細(xì)胞替代、旁分泌作用、炎癥調(diào)節(jié)和神經(jīng)保護(hù)機(jī)制。NSC治療的基礎(chǔ)和臨床研究有望實(shí)現(xiàn)中風(fēng)后的功能恢復(fù)。CP:腦癱;NPC:神經(jīng)祖細(xì)胞;NSC:神經(jīng)干細(xì)胞;NSPC:神經(jīng)干/祖細(xì)胞;RMS:喙洄游流;SGZ:亞粒區(qū);SVZ:腦室下區(qū)。

神經(jīng)干細(xì)胞移植治療腦部疾病的相關(guān)科研及臨床研究正在多方位展開,得到了快速的發(fā)展,取得了可喜的成績(jī)。相信隨著科學(xué)研究與醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步,神經(jīng)干細(xì)胞移植療法可以將腦部疾病的治療窗口延長(zhǎng),為腦部疾病的治療提供新型的解決方案。

參考資料:Jiao Y, Liu YW, Chen WG, Liu J. Neuroregeneration and functional recovery after stroke: advancing neural stem cell therapy toward clinical application. Neural Regen Res. 2021 Jan;16(1):80-92. doi: 10.4103/1673-5374.286955. PMID: 32788451; PMCID: PMC7818886.

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