骨骼肌衛(wèi)星細胞在組織工程與運動損傷修復中的應用

鄧啟烈 莫偉彬

(廣西師范大學體育學院，廣西 桂林 541004)

從骨骼肌的發(fā)生上看，骨骼肌纖維是一種終末分化的細胞類型，由胚胎的生肌節(jié)和各處的間充質(zhì)細胞分化而成〔1〕。而成熟的骨骼肌細胞屬于一種有絲分裂后細胞，不能進行有絲分裂。在成年動物骨骼肌纖維與基膜之間，有一種體積較小的扁平或立方形細胞，排列在肌纖維表面，稱為肌衛(wèi)星細胞(MSC)。MSC是具有增殖和自我更新能力的成肌前體細胞或單能成肌干細胞,自被發(fā)現(xiàn)以來,這種組織特異的祖細胞在組織工程、基因治療、運動醫(yī)學等領(lǐng)域展示了良好的應用前景。本文圍繞MSC在組織工程與運動創(chuàng)傷修復中的應用作一綜述。

1 概述

1.1MSC來源 目前有兩種假說，一是體節(jié)來源假說，二是非體節(jié)來源假說〔2〕，目前認為MSC起源于胚胎血管祖細胞。此外，還有研究表明將骨髓干細胞衍生的成肌細胞注入靜脈,發(fā)現(xiàn)其也參與骨骼肌的再生，其研究證明骨髓干細胞衍生的成肌細胞產(chǎn)生的功能與MSC功能特征相似〔3，4〕。衛(wèi)星細胞是處于骨骼肌基膜和基底膜之間，能夠增殖分化潛能的肌源性干細胞，是出生后能夠使骨骼肌生長、修復和維持的單能成肌干細胞〔1〕。當肌纖維在體育運動中受到損傷或負重牽拉刺激時，衛(wèi)星細胞就被激活，進而增生、分化，融合成新的骨骼肌纖維，以修復運動受損時的骨骼肌。

1.2MSC的激活與分化潛能 MSC在一般情況下，只能在電子顯微鏡下才能清楚地看到。在靜息狀態(tài)時衛(wèi)星細胞的細胞器處于較低的狀態(tài)，細胞核也較相鄰的肌管細胞較小，其異染色質(zhì)的量比較高。當衛(wèi)星細胞受到刺激被激活后,其細胞將出現(xiàn)腫脹，細胞一極或其兩極形成細胞質(zhì)延伸和突起，其形態(tài)能夠在安靜時的小圓形產(chǎn)生激活、形成增殖后的梭形細胞,并具有異染色質(zhì)量下降、有絲分裂活動增加、質(zhì)核比率上升和細胞內(nèi)細胞器數(shù)量也隨之增加〔5〕。而骨骼肌肌肉組織中的成肌細胞則是以MSC的形式而存在。關(guān)于MSC激活信號通路目前已有研究證實了在肝細胞生長因子(HGF)和一氧化氮(NO)中起關(guān)鍵作用〔6〕。其研究的結(jié)果主要是通過細胞培養(yǎng)技術(shù)、機械牽拉衛(wèi)星細胞或骨骼肌，HGF快速從其儲存的部位細胞外基質(zhì)釋放并且與衛(wèi)星細胞表面受體HGF受體(c-met)結(jié)合，從而能夠激活衛(wèi)星細胞〔7，8〕。此后的研究還發(fā)現(xiàn)，HGF的釋放依賴衛(wèi)星細胞或肌纖維上的神經(jīng)元型NO合酶(NOS)生成的NO，NO通過上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)活性介導了HGF釋放〔9〕。最近的研究還證實，運動訓練導致的骨骼肌質(zhì)量和肌細胞核的增加同時伴隨著衛(wèi)星細胞數(shù)目和激活狀態(tài)的上升〔10，11〕。由于MSC屬于組織干細胞，具有較強的增殖分化能力，其正常的分化過程為：首先分化為成肌細胞；然后成肌細胞逐漸平行排列，互相融合在一起，逐步形成細胞核在中央，而肌絲則在周邊的肌管；隨著分化潛能的深入，肌絲在不斷生長的同時漸漸形成肌原纖維，細胞核則逐漸向周邊靠，從而形成肌纖維。在體外培養(yǎng)條件下，則可以通過降低培養(yǎng)基中動物血清的含量來實現(xiàn)〔12，13〕。MSC的激活與分化潛能對肌肉損傷的修復、延遲或逆轉(zhuǎn)衰老極都具有重要作用。因此，需要對如何增多衛(wèi)星細胞的數(shù)量還有待深入研究，還要探索何種策略能有效地激活和分化衛(wèi)星細胞的潛能。

2 MSC的應用

2.1MSC在組織工程中的應用

2.1.1MSC對失神經(jīng)骨骼肌萎縮的應用 肌衛(wèi)星細胞作為肌組織工程的種子細胞來修復骨骼肌萎縮肌肉，以恢復肌肉動力的功能具有實用價值和廣闊的前景。目前對肌衛(wèi)星細胞的體外培養(yǎng)及增殖較廣泛，但將肌衛(wèi)星細胞移植到體內(nèi)的成肌效應的實驗研究較少。Carlson等〔14〕通過采用骨骼肌移植的方法，將骨骼肌再生和神經(jīng)再支配兩者結(jié)合在一起，使長時間失神經(jīng)支配的骨骼肌在神經(jīng)修復后的療效有所提高。Murry等〔15〕研究表明，用培養(yǎng)的肌衛(wèi)星細胞移植修復發(fā)生梗死的心肌細胞的治療取得較好的成效。Irintcher等〔16〕等研究表明，用培養(yǎng)好的肌衛(wèi)星細胞移植入到凍傷的骨骼肌中，對改善肌肉功能起到很大的作用。Rodrigues等〔17〕對失神經(jīng)支配骨骼肌中肌衛(wèi)星細胞數(shù)量變化研究后認為，長期失神經(jīng)支配導致的肌衛(wèi)星細胞庫的耗竭，產(chǎn)生不可逆肌萎縮。Carlson等〔14〕再進一步研究表明，成年MSC異體移植對維持失神經(jīng)骨骼肌的濕重、肌纖維橫截面積及肌張力能明顯起到延緩骨骼肌的萎縮進程。因此，肌衛(wèi)星細胞移植到失神經(jīng)骨骼肌內(nèi)進行深入研究，能為臨床上神經(jīng)再生后肌肉運動功能的恢復提供有效的途徑。

2.1.2MSC對遺傳性肌病的基因的應用 MSC移植較早用于杜興肌營養(yǎng)不良癥(DMD)的遺傳性肌病的基因治療〔4〕,其DMD患者主要是由于肌細胞缺少編碼dystrophin膜下蛋白的基因,致使其細胞膜不穩(wěn)定,最終導致骨骼肌肌纖維壞死,患者最終死于呼吸衰竭。Moritz等〔18〕通過對MDX小鼠身體上進行了大量的肌衛(wèi)星細胞移植治療MDX的動物實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn),將正常肌衛(wèi)星細胞移植到肌營養(yǎng)不良癥小鼠的骨骼肌肉組織后,能與肌纖維融合,形成雜交肌纖維。并且對dystrophin進行特異性免疫組織化學染色發(fā)現(xiàn)，正常肌衛(wèi)星細胞能與 MDX小鼠的肌纖維融合并表達其基因產(chǎn)物 dystrophin。Law等將肌衛(wèi)星細胞移植應用于臨床治療DMD病人時發(fā)現(xiàn)，肌衛(wèi)星細胞移植療效受到免疫排斥反應，肌衛(wèi)星細胞一旦融入肌纖維中，其Ⅰ類主要組織相容性復合體(MHC-Ⅰ)抗原就不表達。Jam等〔19〕對肌衛(wèi)星細胞進一步純化發(fā)現(xiàn)，純化所培養(yǎng)的MSC可以減少宿主免疫系統(tǒng)對移植細胞的攻擊。因此,對MHC-Ⅰ陰性肌衛(wèi)星細胞移植進行深入的研究，是治療遺傳性肌病的有效途徑。

2.2MSC在運動創(chuàng)傷修復中的應用 關(guān)于MSC在運動訓練中的研究并不多，但MSC在運動訓練中受到某種刺激而被激活，并使之增殖甚至向成肌細胞分化已經(jīng)在諸多的人體實驗和動物模型中得到證實。MSC對運動產(chǎn)生的肌纖維損傷,對局部性壞死骨骼肌進行修復、再生，這種修復反應一般是在離心運動肌肉拉長收縮后因肌纖維易受損傷而更容易觀察到〔20，21〕。Kadi等〔22，23〕對多年訓練的優(yōu)秀舉重運動員斜方肌衛(wèi)星細胞進行了研究發(fā)現(xiàn)，其斜方肌衛(wèi)星細胞較對照人群高出70%，而服用合成類固醇對增加MSC的數(shù)目是有限的。Floss等〔24〕研究發(fā)現(xiàn)，在運動訓練中骨骼肌受到損傷后，主要是NO和HGF大量釋放,而HGF受到NO活化作用下與衛(wèi)星細胞膜上的HGF受體c-Met結(jié)合,從而使細胞增殖的信號傳導通路被激活，致使衛(wèi)星細胞與周圍組織的黏附狀態(tài)受到改變，使受傷的骨骼肌得到修復。Conboy等〔25，26〕研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌受到牽拉或運動刺激損傷后,Notch配體的表達隨MSC的活化而表達量有所上升，Notch配體與靜息的衛(wèi)星細胞表面Notch 受體結(jié)合,使衛(wèi)星細胞成肌轉(zhuǎn)錄因子被激活,使衛(wèi)星細胞增殖分化，有利于骨骼肌損傷的修復。在大強度負荷的訓練和刺激導致骨骼肌微細損傷后，由于局部生長因子和細胞因子的釋放增多，引起免疫應答反應,巨噬細胞迅速進入損傷部位,一方面清除可能壞死的肌纖維,另一方面分泌各種炎性因子和生長因子激活衛(wèi)星細胞,促進其活化增殖、遷移、分化及融合到鄰近的肌纖維,調(diào)節(jié)骨骼肌生長〔27〕。Ferrari等〔28〕認為肌肉損傷區(qū)衛(wèi)星細胞的增殖分化是達到損傷修復目的的主要途徑。向崢等〔29〕研究發(fā)現(xiàn)，胰島素樣生長因子-Ⅰ對運動性骨骼肌損傷后的衛(wèi)星細胞再生有促進作用。邸勇等〔30〕對蛇毒誘導損傷后研究發(fā)現(xiàn)，損傷肌管和吞噬細胞中局部釋放的生長因子，能夠使MSC遷移到受損部位,并使肌衛(wèi)星細胞在損傷部位廣泛增殖，致使損傷的骨骼肌組織在損傷后的10 d內(nèi)可以基本恢復。Bowers等〔31〕研究還發(fā)現(xiàn),在肌纖維修復過程中,不僅可以使壞死部位的衛(wèi)星細胞參與修復反應,而且整根肌纖維的衛(wèi)星細胞移行到壞死部位參與修復過程,同時使壞死纖維周圍正常肌纖維的肌衛(wèi)星細胞也會移行到壞死部位參與修復反應。2001年美國運動醫(yī)學大學年會指出〔32〕MSC和生長因子在骨骼肌的生長、發(fā)育、訓練適應和損傷、移植中具有非常重要的作用。因此，研究MSC在運動創(chuàng)傷修復中的應用，具有重要的作用。

3 總結(jié)與展望

關(guān)于MSC的研究改變了人類治療疾病的傳統(tǒng)觀點,現(xiàn)在在醫(yī)學上人們已經(jīng)利用MSC移植治療心肌梗死、遺傳性肌病的基因、失神經(jīng)骨骼肌萎縮和運動損傷中的修復等疾病，并且取得了很好的效果，大量研究也揭示了肌衛(wèi)星細胞在骨骼肌生長、修復和再生中的重要作用，但MSC從靜止到激活、增殖直到終末分化狀態(tài)的基因表達特性及其骨骼肌衛(wèi)星細胞在運動訓練中其分子調(diào)控機制和信號通路還有待進一步研究。

4 參考文獻

1Song W,Kwak HB,Kim JH,etal.Exercise training modulates the nitric oxide synthase profile in skeletal muscle from old rats〔J〕.J Gernotol,2009;66A:540-9.

2Hawke TJ,Garry DJ.Myogenic satellite cells：physiology to molecular 5b iology〔J〕.J Appl Physiol,2001；91(2)：534-51.

3Bittner RE,Schofer C,Weipoltshammer K,etal.Recruitment of bone marrow derived cells by skeletal and cardiac muscle in adult dystrophic mdx mice〔J〕.Anat Embryol,1999；199：391-6.

4Ferrari G,Cussela De,Angelis G,etal.Muscle regeneration by bone marrow-derived myogenic progenitors〔J〕.Science，1998；279：1528-30.

5Cheem AU,Brown R,Mudera V.Mechanical signals and IGF-Ⅰ gene splicing in vitroin relation to development of skeletal muscle〔J〕.J Cell Physiol,2005；202(1)：6-7.

6Tatsurni R,Allenre RE.Mechano biology of resident myogenic stem cells；Molecular mechanism of stretch-induced activation of satellite cell〔J〕.Anim Sci J,2008；79(3):279-90.

7Anderson J，Pilipowicz O.Activation of muscle,satellite cells in single-fiber cultures〔J〕.Nitric Oxide,2002;7(1):36-41.

8Tatsumir R,Hattobia A,Ikeuchiy Y,etal.Release of hepatocyte growth factor from mechanically stretched skeletal muscle,satellite cells and role of pH and nitric oxide〔J〕.Mol Biol Cell,2002；13(8):2909-18.

9Yamadam M,Tatsumir R,Sankoday Y,etal.Matrix metaloproteinase-2 mediates stretch-induced activation of skeletal muscle satellite cells in nitric oxide-dependent manner〔J〕.Int J Biochem Cell Bio1,2008；40(10):2183-91.

10Kadi F.Cellular and molecular mechanisms responsible for the action of testosterone on human skeletal muscle.A basis for illegal performance enhancement〔J〕.Br J Pharmacol,2008；154(3):522-8.

11Roth SM,Martel GF,Ivey FM,etal.Skeletal muscle satellite cell characteristics in young and older men and women after heavy resistance strength training〔J〕.Gerontol A Biol Sci Med Sci，2001；56(6):B240-7.

12張 臻,鐘 衛(wèi),洪 超.骨骼肌衛(wèi)星細胞的分離和培養(yǎng)〔J〕.動物醫(yī)學進展,1999；20(4):8-10.

13陳曉萍,范 明.肌衛(wèi)星細胞研究進展〔J〕.生理科學進展,2003；34(2):136-8.

14Carlson BM，Billington L，F(xiàn)aulknetr JA.Studies on the regenerative recovery of long-term denervated muscle in rats〔J〕.Restor Neurol Neurosci，1996；10：77.

15Murry CE，Wiseman RW，Schwartx SM，etal.Skeletal myoblast transplantation for repair of myocardial necrosis〔J〕.Clin Invest Med，1996；98(11)：2512.

16Irintcher A，Langer M，Zweyer M，etal.Functional improvement of damaged adult mouse by implantation of primary myoblasts〔J〕.Physiol(Lond)，1997；500(pt3)：775.

17Rodrigues AD,Schmalbruch H.Satellite cells and myonuclei in lonterm denervated rat muscle〔J〕.Anat Rec,1995；243(4):430-7.

18Moritz S,Fischer MS,Schilling N.Three dimensional fibretype distribution in the paravertebral muscles of the domestic ferret (Mustela putorius ffuro) with relation to functional demands during locomotion〔J〕.Zoology,2007;100(2):197-211.

19Jam AC,Haider HKH,Aziz S.Myoblast transplantation for cardiac repair a clinical perspective〔J〕.Molecular Therap,2004;9(1):14-23

20陳國慶.運動對骨骼肌衛(wèi)星細胞的影響及作用機制〔J〕.四川解剖學雜志，2011；6(2)：41-3.

21陳 濤,陳彩珍,盧 健.耐力、力量和混合運動對成年C57BL/6小鼠骨骼肌衛(wèi)星細胞激活信號通路的影響〔J〕.體育科學,2011；31(9):69-73.

22Kadi F,Eriksson A,Holmner S,etal.Cellular adaptation of the trapezius muscle in strength trained athletes〔J〕.Histochem Cell Biol,1999；111(3)：189-95.

23Kadi F,Eriksson A,Holmner S,etal.Effects of an abolic steroids on the muscle cells of strength-trained athletes〔J〕.Med Sci Sports Exerc,1999；31(11)：1528-34.

24Floss T,Arnold HH,Braun T.A role for FGF-6 in skeletal muscle regeneration〔J〕.Genes Dev,1997；11(16):2040-51.

25Conboy IM,Conboy MJ,Smythe GM,etal.Notch mediated rest oration of regenerative potential to aged muscle〔J〕.Science,2003；302(5650)：1575-7.

26Conboy IM,Rando TA.The regul at ion of Notch signaling controls satellite cell activation and cell fate determination in postnatal myogenesis〔J〕.Dev Cell,2002；3(3)：397-409.

27Tsivitse S.Notch and Wnt signaling,physiological stimuli and postnatal myogenesis〔J〕.Int J Biol Sci,2010；6(3):268-81.

28Ferrari G，Cusella D，Angelis G，etal.Muscle regeneration by bone marrow-derived myogenic progenitors〔J〕.J Cell Biol，1999；147：869-78.

29向 崢,余 斌.胰島素樣生長因子-Ⅰ在大鼠骨骼肌運動性損傷衛(wèi)星細胞再生中的作用〔J〕.中化創(chuàng)傷骨科雜志，2004；7(6)：801-3.

30邸 勇,楊蘇民.化學損傷對成年大鼠骨骼肌肌衛(wèi)星細胞的激活作用〔J〕.青島大學醫(yī)學院學報，2009；4(45)：143-5.

31Bowers DC,Fan S,Walter KA,etal.Scatter factor/hepatocyte growth factor protects against cytctoxic death in human glioblastoma via phosphatidylinositol 3-kinase-and AKT-dependent pathways〔J〕.Cancer Res,2004；60(15):4277-83.

32Floss T,Arnold HH,Braun T.A role for FGF-6 in skeletal muscle development and regeneration〔J〕.Genes Develop,2001；9:1134-51.