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组织修复与再生,干细胞到底扮演一个什么样的角色?

发布时间:2020-07-28 08:52:26 点击:28 来源:

【摘要】:干细胞疗法是当今医学研究最前沿也是最热门的方向之一,取得了令人兴奋的成果。 每一项成功的临床试验,背后都有扎实的基础研究作为铺垫,其中涉及 干细胞本身的生物学特性、适应症的选择,给药方式的选择,细胞的选择和给药的剂量,这些都是成功的非常关键因素。

干细胞是一种多功能细胞,能够再生人体的各种组织,因此在创伤治疗中有一定的临床潜力,特别是在骨折愈合、软骨愈合及创伤后炎症等方面。

局部细胞和组织损伤后,机体对损 伤所形成的缺损进行修补恢复的过程称 修复 。 修复是机体抗损伤的表现,组织修复主要是通过 再生 来完成的。 再生 是体内细胞或组织损伤后,由 邻近 健康细胞分裂增殖来修补的过程。

迄今为止,干细胞研究主要集中在其行为和功能,虽然有些已经进入1/2期临床试验,但在干细胞治疗真正达到临床实践之前,还有许多问题等待解决。

干细胞,简单来讲,它是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的原始的未分化细胞,是形成各组织器官的原始细胞。干细胞微环境是干细胞赖以生存的基础,对调控干细胞命运具有重要的作用。干细胞是在全身的某个局部微环境(niche)中被发现的,在这个环境中干细胞处于未分化的休眠状态。

在干细胞和邻近细胞之间存在多种分子机制控制着其分化和自我保护。本文主要介绍涉及创伤修复的四种细胞:间质干细胞(MSCs),造血干细胞(HSC),脂肪干细胞(ADSC)和内皮祖细胞(EPC)。 其中MSC主要存在于结缔组织,HSC大部分主要存在于骨髓和血液中,EPC位于血管内皮,而ADSC存储于脂肪组织。

间质干细胞(MSCs)在中胚层内分化成任何非造血细胞,如成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞。间充质干细胞高表达CD105、CD73和CD90。 MSCs是临床试验中研究最多的一类细胞。

造血干细胞(HSC)能够分化成为血液系统和免疫系统的细胞,表达CD34分子标记,可以从骨髓、外周血、脐带血中获得。造血干细胞是研究历史最长且最为深入的一类成体干细胞。

脂肪干细胞(ADSC)由脂肪组织中获得,除了表达间充质干细胞标志物,常常表达CD31-CD34+等分子标记。脂肪干细胞属于间充质干细胞的一种。

内皮祖细胞(EPC)具有血管生成的潜力,它们存在于外周循环中。

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干细胞的创伤修复机制

内源性干细胞对创伤的反应包括:从休眠状态中苏醒;从特定的干细胞巢(niche)动员;向受伤的部位迁移;分化产生特定细胞。此外,长期病理性炎性反应会导致干细胞的功能失调,使干细胞的数量减少,最终导致组织再生失败。

在创伤后,MSCs与HSC的迁移已被许多趋化作用阐明。 其中一种信号途径就是SDF-1/CXCR4 ( 基质衍生因子1/特异性趋化因子受体4) 轴。这条信号轴解释了干细胞在局部停留及向受伤部位迁移的过程。

CXCR4是BMSCs的一种受体,它能结合SDF-1。SDF-1是一种由骨髓内皮细胞和基质细胞表达的蛋白质,继受伤后,SDF-1在组织损伤的部位产生,其浓度高于骨髓处,于是骨髓中MSCs向受伤部位转移。SDF-1的表达受缺氧诱导因子-1(HIF-1)和一氧化氮(NO)调控。

在正常生理情况下,骨髓中的SDF-1浓度稍高,有利于保留BMSCs。这在动物骨折和心肌损伤模型中已被证实, CXCR4 受体的上调也使得MSCs向SDF-1浓度高的地方迁移得到进一步加强。

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干细胞在骨折愈合中扮演的角色

骨折会引起骨髓内MSCs的增生,骨髓和骨膜内的驻留干细胞会迁移至损伤部位。因为在骨折处需要有一定数量的干细胞进行修复创伤,同时骨萎缩也被证实与骨折处缺乏干细胞有关。

恢复良好的血供是干细胞迁移并存活的必要条件。 Atesok. K等发现: 在小鼠骨折后进行纯化后的EPC注射,有利于血管增生及更快的骨折愈合:在骨折部位EPC的血管生成效应与增加的亲血管生成因子hVEGF、hFGF2和hHGF 44的局部水平相关;同时还发现MSCs的迁移与增加的小鼠骨痂体积和强度有关联。MSCs约在EPC使用后第14天出现在骨折处。这些治疗效果与BMSCs迁移后局部BMP-21 (骨形态生成蛋白) 的表达有关。

在受伤后,干细胞对血管生成有直接和间接的影响。一些研究表明,EPC迁移到受伤的部位后直接参与了新生血管的形成。其他的研究也已经证实EPC通过生长因子、细胞因子的调节促进新生血管生成。

MSCs和ADSC也有促进血管生成的作用。这些血管生成功能最终有助于改善骨折的愈合、毛细血管再生、伤口的康复及减少炎症并发症。

干细胞还可以对机械刺激产生反应。体外研究,已经证实了干细胞对以下刺激有反应,如牵拉、压迫、剪切、震荡、超声波等。在拉伸、压迫和超声波等刺激下,干细胞可表现出成骨分化。相反地,Dai等人发现,对小鼠的MSCs进行反重力作用的试验可抑制其成骨分化。有研究表明在体外试验时,低强度脉冲超声波可促进MSCs的成骨转化。

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干细胞在软骨愈合中扮演的角色

干细胞与关节软骨损伤修复及创伤后骨关节炎有关。在损伤发生后,关节软骨中的MSCs会分化成纤维细胞,而不是软骨细胞。创伤时,关节组织纤维化的情况更少,由此表明创伤可引起干细胞分化的变化,并与创伤后骨性关节炎息息相关。

干细胞治疗效果与给药方式相关。通过干细胞在关节内注射,能改善创伤引起的软骨缺损。而研究发现,在小鼠模型中进行皮下注射干细胞对软骨愈合没有影响。

Saw等在50名软骨损伤的病人中进行了一项临床试验:50名患者随机分组,治疗组接受来自自体干细胞,辅料是透明质酸;对照组仅接受透明质酸治疗。每一位病人都行关节镜下的软骨钻孔及软骨成形术,然后进行为期5周的膝关节注射并在第18个月行关节镜检查活检。 组织学分析及核磁共振检查显示:与对照组相比 , 治疗组干细胞的软骨再生能力有所提高,但是关节功能评分并无差别。

Vangsness等人研究了关节镜下半月板切除术后的关节内注射MSCs的效果,结果发现半月板组织再生增加,伴有骨关节炎患者的疼痛评分得到改善,且在随后的两年随访中没有出现严重的不良反应。

使用MSCs治疗有望能够改善骨关节炎和创伤后的软骨缺损。目前研究的重点是确定最佳MSCs来源、如何进行预处理,如何提高安全性。 MSCs在骨关节炎和创伤后关节炎的治疗目的都是重新生成透明软骨,但其病理微环境各不相同。

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干细胞在炎症免疫调节中角色

干细胞具有免疫调节功能,主要依赖于在创伤后炎症反应中分泌的介质如Toll样受体。Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)是参与非特异性免疫的一类重要蛋白质分子,也是连接非特异性免疫和特异性免疫的桥梁。TLR是一类由创伤后细胞破坏释放的内源性产物,包括线粒体DNA(mtDNA),具有激活免疫细胞的能力。

创伤后引起的中性粒细胞和巨噬细胞激活会对干细胞造成损伤。在机体受伤后,中性粒细胞和干细胞一起迁移到受伤的部位,但它们迁移到创伤部位的时间点不同。中性粒细胞被激活后会释放活性氧,无意中损害了周围的细胞包括干细胞。如果损伤足够严重,中性粒细胞的激活状态持续存在(尤其是在细胞凋亡之后),那么干细胞就可能会被破坏。

干细胞疗法是当今医学研究最前沿也是最热门的方向之一,取得了令人兴奋的成果。 每一项成功的临床试验,背后都有扎实的基础研究作为铺垫,其中涉及 干细胞本身的生物学特性、适应症的选择,给药方式的选择,细胞的选择和给药的剂量,这些都是成功的非常关键因素。

在干细胞治疗临床应用之前,还需要克服许多困难。在动物模型和临床试验中仍需要进一步的研究干细胞在组织修复上的作用机制。此外,这些潜在的治疗方法是否会导致功能改善和副作用也有待观察。