王 蕾白 海*
(1 蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院血液科,全軍血液病中心,甘肅 蘭州 730050;2 蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院血液科,甘肅 蘭州 730050)
骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在組織修復(fù)中的作用
王 蕾1,2白 海1*
(1 蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院血液科,全軍血液病中心,甘肅 蘭州 730050;2 蘭州大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院血液科,甘肅 蘭州 730050)
間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)是干細(xì)胞家族的重要成員,來源于發(fā)育早期的中胚層和外胚層。MSC最初在骨髓中發(fā)現(xiàn),隨后還發(fā)現(xiàn)存在于人體發(fā)生、發(fā)育過程的多種組織中,由于骨髓是其主要來源,因此統(tǒng)稱為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞。因BMSCs具有多向分化潛能、造血支持和促進(jìn)干細(xì)胞植入、免疫調(diào)控和自我復(fù)制等特點(diǎn)而日益受到人們的關(guān)注。己經(jīng)成為治療多種組織損傷性疾病的理想種子細(xì)胞。
骨髓間充干細(xì)胞;組織修復(fù);歸巢;旁分泌;免疫調(diào)節(jié)
骨髓中除含有能分化成各種血細(xì)胞的造血干細(xì)胞之外,還含有基質(zhì)細(xì)胞系的干細(xì)胞即間充質(zhì)干細(xì)胞。BMSCs具備了胚胎干細(xì)胞的生物學(xué)特性,有較強(qiáng)的可塑性,在一定環(huán)境和特異的因子誘導(dǎo)下,具有向多種細(xì)胞系分化的潛能,可分化為骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、心肌細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、神經(jīng)元樣細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、胰島細(xì)胞和肝細(xì)胞等3個(gè)胚層細(xì)胞。BMSCs移植后具有定向分化和旁分泌功能,而且在同種異體內(nèi)具有低免疫原性和免疫調(diào)節(jié)作用,從而使干細(xì)胞移植避免了同種異體MHC配型的局限性,可作為理想的種子細(xì)胞用于衰老和病變引起的組織器官損傷修復(fù)。本文就此綜述如下。
歸巢是指自體或外源性BMSCs在多種因素作用下,定向趨向性遷移越過血管內(nèi)皮細(xì)胞至靶組織并定植存活的過程[1]。微環(huán)境的改變是BMSCs歸巢的始動(dòng)因素,損傷的組織和損傷后激活的細(xì)胞通過釋放多種趨化因子、黏附因子和生長因子,刺激BMSCs遷移到受損部位。損傷后的微環(huán)境利于動(dòng)員代償反應(yīng)機(jī)制,可能與損傷情況下啟動(dòng)了BMSCs某些信號分子應(yīng)答上調(diào)有關(guān)。BMSCs向損傷或缺血等組織的歸巢行為和所涉及的一系列分子與白細(xì)胞向炎性組織的歸巢機(jī)制十分相似。盡管MSCs向損傷或缺血組織的歸巢的具體機(jī)制至今仍尚不明確。但一般認(rèn)為與以下幾方面因素有關(guān):
1.1 趨化因子
BMSCs表達(dá)不同的趨化因子受體(如CCR1、CCR7、CXCR4、CXCR6和CX3CR1等),因而可以依濃度梯度向不同的趨化因子(如CXCL12、CX3CL1、CXCL6和CCL19等)趨化遷移,因此表達(dá)不同趨化因子受體是BMSCs歸巢至損傷組織所必需的[2]。目前的研究認(rèn)為CXCL12/CXCR4軸是BMSCs向損傷組織歸巢的最要的生物軸[3]。CXCL12是一種含CXC模序趨化因子家族成員,也稱為基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(stromal cell derived factor-1,SDF-1),損傷組織局部濃度很高,MSCs表面表達(dá)其受體CXCR4,CXCL12可將MSCs募集到損傷位點(diǎn)參與組織修復(fù),具有抑制BMSCs凋亡,增加其存活率及增殖活性等作用。Lee等人在應(yīng)用BMSCs治療嚴(yán)重大腦中動(dòng)脈卒中的患者,證明了MSCs與CXCL12有協(xié)同作用[4]。抑制CXCL12/CXCR4軸可降低MSCs歸巢到損傷位點(diǎn)的效率。目前大多數(shù)學(xué)者傾向于BMSCs的遷移主要是趨化因子家族及其受體的操控,但目前為止并沒達(dá)成共識。
1.2 黏附分子
BMSCs的歸巢和植入與白細(xì)胞遷移至炎癥部位或淋巴細(xì)胞歸巢相似,BMSCs需要經(jīng)過在內(nèi)皮細(xì)胞上捕獲、滾動(dòng)黏附,然后穿過血管內(nèi)皮細(xì)胞層及基底膜進(jìn)入損傷組織[5]。這一過程需要很多黏附分子參與,如E-選擇素、CD44、CD31、CD105、血管細(xì)胞黏附因子1( vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1,即CD106)、CD54、CD29、整合素、結(jié)合黏附分子、鈣黏著糖蛋白等。遲發(fā)抗原4( very late antigen-4,VLA-4)是CD106的配體,VCAM-1與VLA-4構(gòu)成的VLA-4/VCAM-1軸在緊密黏附過程中起重要作用。Segers等研究發(fā)現(xiàn),在靜態(tài)培養(yǎng)的MSCs中加入VCAM-1的抗體后,MSCs對心臟毛細(xì)血管的內(nèi)皮細(xì)胞的黏附力消失[6]。這就表明VCAM-1在MSCs的內(nèi)皮黏附起重要作用。
1.3 生長因子
TGF、HGF、VEGF、IGF、PDGF、堿性成纖維生長因子等在BMSCs的歸巢中發(fā)揮著重要作用。鄭彥文等人[7]研究發(fā)現(xiàn),組織損傷后HGF在局部的濃度提高,HGF可以增強(qiáng)BMSCs的遷延,對其有強(qiáng)烈的趨化作用,遷移效率隨著HGF濃度的增加而增加。PI3K是調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移的關(guān)鍵信號通路,HGF通過與BMSCs上的c-met受體結(jié)合,引起受體二聚體發(fā)生構(gòu)象改變,進(jìn)而激活PI3K信號通路。Ponte等人研究表明,PDGF和IGF在受損組織內(nèi)高表達(dá),對BMSCs在體內(nèi)的歸巢起著至關(guān)重要的趨化作用[8]。
1.4 酶
細(xì)胞發(fā)生遷移時(shí)需要降解細(xì)胞外基質(zhì)與基底膜,此過程與MMP的作用密切相關(guān)。Ries等人研究發(fā)現(xiàn)BMSCs合成和表達(dá)基質(zhì)金屬蛋白酶-2、膜型金屬蛋白酶、金屬蛋白酶組織抑制劑等,這些蛋白有助于穿越重組細(xì)胞基底膜,在BMSCs跨內(nèi)皮細(xì)胞層過程中起重要作用[9]。Neuss等研究顯示,BMSCs分泌的纖溶酶(組織纖溶酶原激活物、尿激酶型纖溶酶原激活物、尿激酶型纖溶酶原激活物受體、纖溶酶原激活物抑制因子),這些纖溶酶能促使BMSCs進(jìn)入纖溶蛋白凝塊并將其降解,從而使BMSCs進(jìn)入損傷組織并參與組織修復(fù)重建[10]。
歸巢的實(shí)質(zhì)就是組織損傷后釋放細(xì)胞因子,趨化那些表達(dá)相應(yīng)配體的BMSCs到達(dá)損傷部位的過程。在大鼠肝損傷模型中,MSCs可定向遷移并定居于損傷的肝組織中,對該區(qū)域的肝組織有明顯的修復(fù)作用[11]。Grisendi等人用MSCs治療腫瘤,發(fā)現(xiàn)MSCs可歸巢定位于腫瘤組織,促進(jìn)腫瘤凋亡,而對正常組織沒有明顯毒性[12]。臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將異基因BMSCs 移植入骨嚴(yán)重發(fā)育不全的兒童,BMSCs可植入并參與新骨的生成。
細(xì)胞分泌分為自分泌、旁分泌、遠(yuǎn)距離分泌3種形式,BMSCs作為一種骨髓基質(zhì)細(xì)胞的前體細(xì)胞,分泌的細(xì)胞因子主要是通過旁分泌的形式發(fā)揮作用,即分泌的細(xì)胞因子通過組織間隙作用于周圍細(xì)胞,起減輕炎性反應(yīng)、免疫調(diào)節(jié)、促血管生成等作用[13]。
2.1 旁分泌的物質(zhì)
研究證實(shí),BMSCs發(fā)揮作用的優(yōu)勢不只是由于其分化為組織特異性細(xì)胞,還因?yàn)槠淠芊置谟懈纳平M織微環(huán)境的物質(zhì)[14]。包括:①生長因子,如VEGF、FGF、HGF、PDGF、IGF、KGF、TGF、PGF、TGF、NGF等。②白細(xì)胞介素,如IL-6、IL-7、IL-8、IL-11、IL-12、IL-14、IL-15等。③集落刺激因子,如CFU-C、GM-CSF、G-CSF、M-CSF、SCF、TPO、LIF、TPO等。④趨化因子,如中性粒細(xì)胞趨化因子(CIWC-1)、單核細(xì)胞趨化因子(MCP)等。⑤干擾素和腫瘤壞死因子,如IFN-γ、TNF-α、TNF-β。⑥其他生物活性物質(zhì),如營養(yǎng)因子(神經(jīng)營養(yǎng)因子BDNF、膠質(zhì)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子GDNF等)和酶(金屬蛋白酶、纖溶酶、COX等)等其他種類的活性物質(zhì)來改善組織局部及全身的微環(huán)境。
2.2 旁分泌效應(yīng)在組織中的作用
組織損傷和炎性反應(yīng)是同時(shí)和并存的過程,過強(qiáng)的炎性反應(yīng)不利于組織恢復(fù)反而再次加重組織損傷,MSCs能夠抑制IL-1、TNF-α、TNF-γ、一氧化氮合酶等促炎細(xì)胞因子的分泌,上調(diào)抗炎細(xì)胞因子IL-10、FGF和Bcl-2蛋白的分泌,具有明顯的抑制炎性反應(yīng)的作用。PGE-2是由COX-1和COX-2合成,PGE-2不僅在抗炎反應(yīng)中發(fā)揮重要作用,還能抑制淋巴細(xì)胞增殖。BMSCs能夠表達(dá)COX-1,而COX-2是由炎癥因子(IL-1b、IL-6、IFN-r和TNF-a等)誘導(dǎo)產(chǎn)生。Tanaka等將培養(yǎng)的MSCs經(jīng)尾靜脈注射到經(jīng)DSS處理的Lewis大鼠,發(fā)現(xiàn)一些與結(jié)腸炎癥相關(guān)的細(xì)胞因子的mRNA如TNF-a/IL-1b和COX-2都減少了,BMSCs通過抗炎效應(yīng)改善結(jié)腸炎癥狀[15]。BMSCs分泌的活性物質(zhì)尤其是VEGF可影響血管細(xì)胞的增值、遷移、黏附和細(xì)胞外基質(zhì)形成等血管生成的多個(gè)環(huán)節(jié)。Nguyen等用培養(yǎng)MSCs的上清液經(jīng)冠脈內(nèi)注入AMI動(dòng)物模型,結(jié)果顯示升高的肌鈣蛋白T明顯降低,各心超參數(shù)(如左室縮短率、心搏量、心室壁運(yùn)動(dòng)評分指數(shù)等)明顯提高,提示心功能的改善與MSCs的旁分泌效應(yīng)有關(guān)[16]。BMSCs移植后通過血腦屏障,能夠分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子發(fā)揮營養(yǎng)支持作用,抑制炎癥因子表達(dá),抑制膠質(zhì)細(xì)胞再生,誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞遷移至損傷部位,從而減少瘢痕形成,減少組織再生的抑制因素。而外源性神經(jīng)營養(yǎng)因子不能通過血腦屏障,因此將BMSCs注射到動(dòng)物腦缺血部位,能夠促進(jìn)局部組織血管化和神經(jīng)功能的恢復(fù)[17]。MSCs能夠通過旁分泌效應(yīng)修復(fù)由缺血/再灌注引起的急性腎損傷,促進(jìn)殘存的腎小管上皮細(xì)胞增殖,抑制管狀上皮細(xì)胞凋亡[18]。這些都說明BMSCs的旁分泌作用在改善組織微環(huán)境促進(jìn)組織恢復(fù)的過程中發(fā)揮著重要作用。這些細(xì)胞因子可在損傷組織中發(fā)揮類似但又有組織特異效果的作用,但最終影響均是促進(jìn)損傷組織的恢復(fù)。
目前,異體移植的最大障礙是強(qiáng)烈的免疫排斥反應(yīng),使之未能有效應(yīng)用于臨床。BMSCs是比較原始的細(xì)胞,無免疫原性,不僅可逃避免疫系統(tǒng)(自體T細(xì)胞及NK細(xì)胞)的識別,也可抑制免疫細(xì)胞包括T細(xì)胞、B細(xì)胞和NK細(xì)胞的功能,影響抗原呈遞細(xì)胞的活性。由于其體內(nèi)植入反應(yīng)小,可在不需要HLA配型的基礎(chǔ)上比較放心的進(jìn)行異基因細(xì)胞移植。這表示BMSCs具有治療免疫性疾病和移植排斥反應(yīng)的廣闊前景,是誘導(dǎo)免疫耐受的一種很有前景的手段,這一點(diǎn)已得到證實(shí),這也是BMSCs能放心用于修復(fù)組織損傷的優(yōu)勢之一。
BMSCs的免疫調(diào)節(jié)作用,一方面是通過分泌活性物質(zhì)而發(fā)揮作用,另一方面是通過BMSCs與免疫細(xì)胞相互接觸而發(fā)揮作用。主要表現(xiàn)在:①對T細(xì)胞的調(diào)節(jié):T細(xì)胞是特異性免疫的主要執(zhí)行者,MSCs能夠通過多種通路調(diào)節(jié)T細(xì)胞的亞群的分化、增殖和活化。MSCs缺乏共刺激因子,其表達(dá)的PD-L1和PD-L2可以和T細(xì)胞表達(dá)的PD-1分子結(jié)合,傳遞免疫抑制信號,抑制T細(xì)胞的增殖和活化[19]。MSCs分泌的可溶性因子(IL-6)、IL-10、PGE2、HGF、IDO等)在免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。半乳糖凝集素-1和絲氨酸蛋白酶抑制劑參與了MSCs的免疫抑制作用[20]。很多研究發(fā)現(xiàn),BMSCs可以增加CD4+CD25+的Tregs細(xì)胞的數(shù)目,而且通過促進(jìn)CD4+細(xì)胞表達(dá)CTLA-4,從而誘導(dǎo)免疫耐受,有利于預(yù)防移植物抗宿主病的發(fā)生,Tregs也可以阻止DC的成熟。②對B細(xì)胞的調(diào)節(jié):BMSCs分泌的可溶性物質(zhì)可以影響B(tài)細(xì)胞的擴(kuò)增,削弱B細(xì)胞產(chǎn)生抗體的信號而阻礙B細(xì)胞的分化。BMSCs還可以下調(diào)B細(xì)胞的相關(guān)標(biāo)記物的配體的表達(dá)而影響B(tài)細(xì)胞的趨化功能。武令啟等用羊抗人IgM單克隆抗體在體外刺激與MSCs共培養(yǎng)的外周血B淋巴細(xì)胞。結(jié)果顯示,MSCs及其培養(yǎng)上清明顯抑制B淋巴細(xì)胞的增殖,并且這種抑制作用與MSCs的數(shù)量及其上清的濃度有關(guān)。③對NK細(xì)胞的調(diào)節(jié):NK細(xì)胞是天然免疫的重要效應(yīng)細(xì)胞,可以分泌促炎性因子,在抗病毒和腫瘤免疫應(yīng)答中起著關(guān)鍵作用。BMSCs可以改變NK細(xì)胞的表型,進(jìn)而減低CD56的表達(dá),減少NK細(xì)胞TNF-α和IL-10的分泌,還可以通過抑制刺激NK細(xì)胞增殖的一些因子(如IL-2、IL-15、IFN-r等)來抑制NK細(xì)胞的增殖及其細(xì)胞毒性。④對DC細(xì)胞的調(diào)節(jié):MSCs具有干擾DC分化和成熟的功能。MSCs能下調(diào)DC表面CD11c、CD83、MHC-Ⅱ及共刺激分子如CD40、CD54、CD80及CD86等的表達(dá),抑制IL-12的分泌,從而抑制單核細(xì)胞來源的髓樣DC的成熟、遷移以及激活T細(xì)胞的能力。
BMSCs的免疫調(diào)節(jié)作用是一個(gè)復(fù)雜的過程,有很多機(jī)制沒有完全明了,但可以肯定的是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的免疫抑制作用可以促進(jìn)組織修復(fù)。Wend等人在用MSCs治療19例難治性cGVHD的患者中發(fā)現(xiàn),聯(lián)合MSCs治療的患者可以減少免疫抑制劑的用量,改善患者的生活質(zhì)量,提高生存率,且在治療過程中沒有出現(xiàn)任何不良事件。動(dòng)物研究表明,間充質(zhì)干細(xì)胞能通過重建機(jī)體免疫耐受和免疫應(yīng)答平衡,使患有I型糖尿病的動(dòng)物血糖下降,逆轉(zhuǎn)動(dòng)物的糖尿病癥狀,阻止糖尿病的發(fā)生和發(fā)展。Asku等人發(fā)現(xiàn)BMSCs可以治療皮膚移植小鼠移植物抗宿主病,顯著的延長皮膚的存活時(shí)間。在半相合異基因小鼠心臟移植模型中,通過輸注供體的MSCs可誘導(dǎo)免疫耐受延長移植心臟的存活時(shí)間,此過程與MSCs增加了CD4+CD25+Foxp3+的Tregs細(xì)胞數(shù)目和減弱抗供體Th1的活性有關(guān)。
BMSCs可以從修復(fù)缺損、控制炎癥和免疫調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮治療作用,這比藥物從單一途徑進(jìn)行治療具有明顯的優(yōu)勢。許多疾病都牽涉到缺血、炎癥及免疫損傷等方面,所以BMSCs具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然骨髓間充質(zhì)細(xì)胞在組織修復(fù)方面的研究應(yīng)用已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,但在進(jìn)入臨床應(yīng)用前還有很多問題需要解決:①對BMSCs本身特性的研究和在組織工程方面的利用研究,都希望利用純的干細(xì)胞成分,但實(shí)驗(yàn)證明體外分離的BMSCS均為各種細(xì)胞的混雜。如何才能更有效地獲得純化的BMSCs,有待于對其細(xì)胞學(xué)特點(diǎn)和分化各階段細(xì)胞特異性標(biāo)志物的研究。②目前的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究多是針對單一疾病模型的研究應(yīng)用,但人體是一個(gè)復(fù)雜的整體,具有復(fù)雜的反饋調(diào)控機(jī)制,如何控制BMSCS定向遷移入損傷的組織中的增殖和分化,既提高靶向性和高效性,從而達(dá)到預(yù)期療效,還需要在動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)成熟的基礎(chǔ)上進(jìn)一步行臨床實(shí)驗(yàn)研究。③骨髓間充質(zhì)細(xì)胞與不同組織細(xì)胞間相互作用,以及對其生長、分化產(chǎn)生的影響,目前,其作用的機(jī)制尚不清楚。④輸入骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞后的臨床作用時(shí)效和遠(yuǎn)期效果尚未得到有效評估。盡管如此,與其他的種子細(xì)胞相比,仍具有不可忽視的優(yōu)點(diǎn)。例如:取材方便,有強(qiáng)大的增殖分化潛能,無MHC限制,不存在倫理問題等。因此,隨著研究方法的改進(jìn),隨著我們對BMSCS研究的進(jìn)一步深入,它的優(yōu)點(diǎn)將被充分挖掘,它將作為一種完美的種子細(xì)胞,廣泛應(yīng)用于治療機(jī)體無法自然修復(fù)的組織細(xì)胞和器官損傷等多種難治性疾病,具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。
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A
1671-8194(2013)17-0069-03
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