干細胞改善腎臟缺血/再灌注損傷機制的研究進展

張海軍(綜述)，張鐵輝(審校)

(哈爾濱醫(yī)科大學第五附屬醫(yī)院泌尿外科，黑龍江 大慶 163316)

腎臟缺血/再灌注損傷是指腎組織缺血時和其后恢復血液灌注時，器官功能不能恢復正常，甚至發(fā)生更為嚴重的組織損傷或器官功能衰竭。由于腎臟組織結構和功能的特殊性，是對缺血/再灌注損傷敏感的器官之一，因此腎臟缺血再灌注損傷一直是臨床研究的熱點和難點。但目前仍缺乏十分有效的治療手段，干細胞在缺血/再灌注器官中的作用為治療缺血/再灌注損傷提供一條新的思路。

1 腎臟缺血/再灌注損傷的研究現狀

腎臟缺血/再灌注損傷是自體腎及移植腎發(fā)生急性腎損傷最常見的原因，其對自體腎和移植腎急性損傷的愈后具有重要影響，尤其常見于腎移植過程[1-2]。腎移植常用于治療終末期腎病，但其目前面臨以下幾個方面問題：缺少合適的腎源；免疫抑制作用；使用邊緣供腎(擴大標準供腎和循環(huán)停止后的供腎)及患者長時間的等待供體所引發(fā)的不理想的移植效果[3]。這些供腎的使用常加重缺血/再灌注損傷，同時由于腎臟取下及放置于保存液過程中產生的缺血時間延長，也可導致移植腎功能延遲恢復及無功能腎的產生[4]。腎臟缺血/再灌注損傷是一個多因素參與的病理生理過程，其病理學生理學改變涉及以下方面：近端腎小管上皮細胞和血管內皮細胞結構和功能的改變[5]；細胞骨架改變；腺嘌呤核苷酸代謝障礙及細胞內鈣的改變；細胞與細胞間或細胞與基質間聯系的丟失；活性氧自由基的形成，激活的內皮細胞引起的炎性反應導致炎性因子的浸潤及細胞凋亡的增加[6]。腎臟隨后可以通過細胞的去分化及增殖得到恢復，這些過程是由調節(jié)細胞遷移的整合素及細胞黏附分子參與的。此外，局部釋放的生長因子，如肝細胞生長因子、胰島素樣生長因子、趨化因子及細胞因子等均參與調節(jié)細胞增殖過程[7]。根據文獻報道，急性腎損傷占總住院患者人數的7%～10%，與35%～40%的住院患者死亡相關。此外，還與75%腎衰竭所導致的膿毒血癥患者有關系[8]。但是，目前對于腎臟缺血/再灌注損傷仍然缺乏針對性和有效性的治療方案，因此迫切需要找到新方法來解決這一問題。

2 干細胞療法改善腎臟缺血/再灌注損傷的作用機制

干細胞是指一類具有能夠自我更新和多向分化潛能的細胞，根據其細胞表面標志物、轉錄因子和細胞因子的不同表達可分為細胞學和功能學干細胞[9]。若按其分化階段不同，干細胞大致可分為胚胎干細胞和成體干細胞兩類，胚胎干細胞是指人或動物在胚胎發(fā)育階段的胚胎組織中存在具有高度自我更新和多向分化能力但未分化的干細胞。此外，各種組織自體干細胞是指已經存在于組織中的細胞，這種細胞能夠自我更新并分化形成組織的細胞。移植干細胞可以通過抑制多種促炎性因子的釋放,并分泌多種營養(yǎng)性生長因子來促進血管生成，促進細胞有絲分裂和增殖，同時通過降低細胞凋亡和減輕炎性反應并啟動修復過程來促進損傷腎臟的修復，干細胞移植療法為再灌注導致的急性腎損傷的治療提供了新思路。干細胞療法的作用機制仍處于討論階段，目前研究表明其減輕腎臟缺血/再灌注損傷的機制如下。

2.1干細胞的轉分化/去分化及歸巢行為 干細胞轉變成另一種類型的分化細胞的現象稱為轉分化。Brodsky等[10]觀察到腎臟缺血/再灌注后腎小管內皮細胞受損嚴重，當將成人腎小管內皮細胞移植到缺血/再灌注損傷后的裸鼠身上后，發(fā)現其對腎缺血所導致的腎損傷和功能障礙具有較強的保護作用。該研究小組于2004證實骨骼肌提供豐富肌源性干細胞，它們在大鼠缺血模型腎臟中沿著內皮細胞系擴增和分化，從而表明移植干細胞植入到腎微脈管系統(tǒng)。Lin等[11]在ROSA位點轉基因(ROSA26)小鼠模型實驗中證明腎臟缺血/再灌注損傷后移植造血干細胞能夠分化為腎小管上皮細胞和改善腎功能。該實驗同時通過聚合酶鏈反應分析表明：雌性受者腎臟中存在帶有雄性特有的性別決定基因和Y染色體熒光原位雜交證實的雄性來源細胞，從而證實了干細胞歸巢/去分化假說。與之相似的是，Jiang等[12]研究表明，在小鼠腎臟缺血損傷后給予骨髓源性的干細胞可以改善腎功能，其機制是骨髓源性干細胞可以去分化成受損組織細胞類型，并證實骨髓源性干細胞歸巢率高達20%。

2.2移植干細胞的旁分泌/自分泌作用 T?gel等[13]研究則證實，給予缺血損傷小鼠移植骨髓間充質干細胞后，其腎臟缺血/再灌注損傷顯著地減輕，盡管并未發(fā)現骨髓間充質細胞分化成腎小管上皮細胞或者血管內皮細胞，但他們通過研究發(fā)現移植后的骨髓間充質細胞的保護作用來源于其對旁分泌的復雜調節(jié)作用，從而改善缺血損傷模型大鼠在炎癥、血管以及壞死等腎臟組織形態(tài)變化。骨髓間充質細胞可顯著地減少促炎性細胞因子，如白細胞介素1β、腫瘤壞死因子α、干擾素γ和誘導型一氧化氮合酶的合成，同時通過增加抗炎因子(如白細胞介素10、堿性成纖維細胞生長因子、轉化生長因子α)上調Bcl-2基因的表達等途徑促進損傷后腎臟恢復。Patel等[14]研究則證實了肉芽組織干細胞通過旁分泌作用在減輕腎臟再灌注損傷方面發(fā)揮作用，他們證實使用肉芽組織干細胞治療可引起多種生長因子，如成纖維生長因子2、肝細胞生長因子、血管內皮生長因子1和胰島素樣生長因子1等2～8倍的增加。同時還通過增加抗炎因子白細胞介素4和白細胞介素10的表達發(fā)揮作用。

腎臟缺血/再灌注所導致的組織損傷常和輔助性T1細胞引起的免疫反應有關。而研究證實，骨髓源性干細胞能夠抑制缺血/再灌注損傷后輔助性T1/T2細胞免疫反應，同時能夠促進干細胞的旁分泌作用[15]。Semedo等[15]證實，骨髓干細胞的免疫調節(jié)作用發(fā)生于缺血早期階段，并通過抑制T2細胞輔助性免疫反應減輕炎性反應。同時他們還證實移植骨髓源性干細胞可通過減少白細胞介素6、白細胞介素β、腫瘤壞死因子α的表達，并增加抗炎因子白細胞介素4、白細胞介素10的水平來減輕腎臟再灌注損傷。急性腎損傷所導致的腎小管上皮的壞死是由Bcl-2家族的成員調節(jié)的，Bcl-2/Bad的降低可促進細胞死亡，Bcl/Bcl-2相關死亡啟動子(Bcl-2/Bad)比率在缺血/再灌注24 h后顯著地升高。Hara等[16]證實，移植骨髓干細胞在減輕炎癥因子(腫瘤壞死因子α、白細胞介素1β、干擾素γ)方面具有一定劑量依賴性，并在一定程度上抑制細胞間黏附分子1的表達，而黏附分子的抑制可減少巨噬細胞(CD68+、CD3+)的浸潤，激活CD25+，并通過減少樹突狀細胞趨化因子(淋巴趨化因子、巨噬細胞炎癥蛋白3β、大鼠二級淋巴組織趨化因子)減少樹突狀細胞浸潤。以上研究證實，干細胞通過一定的自分泌及旁分泌途徑來減輕腎臟缺血/再灌注損傷。

2.3組織自體干細胞/祖細胞的擴散和增殖 腎祖細胞是一種類似干細胞樣的具有無限增殖和多向分化潛能的干細胞，可在腎臟缺血/再灌注損傷的修復中發(fā)揮重要作用。無論是缺血性損傷還是腎毒性損傷，腎臟均具有快速恢復的能力，Kim等[17]研究表明，這種修復能力與幸存的組織自體干細胞/祖細胞能夠進行擴散、去分化和增殖以覆蓋受損傷部位有關。他們以溴脫氧核苷為標記進行研究發(fā)現，腎臟組織的皮髓質交界處可見的標記滯留細胞大量表達，認為標記滯留細胞起源于腎臟本身的皮髓質交界處，當腎損傷發(fā)生時該處的細胞大量增殖、分化，進行腎小管的結構和功能重建。Ye等[18]采用免疫組織化學技術在人類腎小體鮑曼囊壁層、近端腎小管、遠端腎小管、腎皮質和髓質的間質均發(fā)現了標記滯留細胞，并證實它在急性腎損傷修復中具有自我更新和再生潛能。

Angelotti等[19]證實，CD133+CD24+腎祖細胞可分化成足細胞和小管細胞，這些分化后的小管細胞具有較強的抗凋亡特征，與其他移植干細胞分化形成的細胞相比具有更強的增殖潛力和再生成小管細胞的能力。他們認為該研究為治療急性腎損傷提供了一種新方法，即通過促進腎祖細胞的再生能力來預防和治療急性腎損傷。為了進一步證實該研究，Nafar等[20]通過分別給予缺血/再灌注損傷大鼠去除粒細胞集落刺激因子的骨髓間充質干細胞和粒細胞集落刺激因子，結果表明它們都能夠加速腎功能的恢復并減少小管細胞的壞死。由此證明，粒細胞集落刺激因子像骨髓干細胞一樣通過動員細胞因子來促進腎小管上皮細胞的再生。此外,他們還通過流式細胞儀檢測外周血中CD34+細胞含量來評估移植骨髓間充質干細胞作用，結果表明外周血中CD34+細胞含量明顯增加，由此得出內源性骨髓間充質干細胞的動員功能是對其旁分泌作用的重要補充。

Kwon等[21]證實，接收到的骨髓源性CD146+內皮細胞在缺血/再灌注損傷后很快降低。此種細胞僅在受損缺血腎臟毛細血管內皮基底被觀察到，并未在非缺血區(qū)域發(fā)現。由此認為，組織的再生是由于缺血后幸存的腎自體干細胞增殖所引起的，這個發(fā)現同樣被其他研究證實。Kim等[22]證實，嚙齒動物腎臟內存在一類像干細胞或祖細胞的細胞，它們有助于恢復受損的腎小管上皮細胞，運用溴脫氧鳥苷酸標記的慢周期細胞觀察到標記后的細胞主要集中于皮質和外髓的交界處或內髓質。這些標記的慢周期細胞不僅能夠在缺血損傷后存活，而且隨后其增殖并表達于成熟腎小管表面分子，如Na+/K+-ATP酶、Na+-K+-Cl-協同轉運體家族2以及1型和2型水通道蛋白。該研究表明，組織自體干細胞和祖細胞可以通過擴散和增殖來減輕缺血損傷。

3 目前干細胞的臨床應用

Westenfelder等[23]采用一種雙盲、對照、多中心Ⅱ期療效研究，并詳細記錄了實驗數據。結果證實移植同種異體骨髓間充質干細胞可以預防和治療體外循環(huán)下冠狀動脈旁路移植術和心臟瓣膜置換術所導致的急性腎損傷，并且該方法是安全可行的，與對照組相比，骨髓間充質細胞移植可減少20%術后腎功能惡化，減少40%的患者住院時間和40%再手術風險，并且總結認為由于骨髓間充質細胞不表達第二型人類白細胞抗原基因并且不含血清抗原，使用外源性骨髓間充質細胞是安全可靠的[24]。其他臨床試驗，如給予活體非親屬移植腎臟患者注射骨髓間充質干細胞來治療急性腎損傷，我國福州醫(yī)院進行骨髓間充質細胞治療慢性腎移植腎病和狼瘡性腎炎并取得了明顯的效果[25]。Tan等[26]進行隨機對照試驗證實，非親屬移植腎臟患者中，給予自體骨髓間充質細胞與給予抗白細胞介素2受體抗體相比，移植骨髓間充質細胞能夠更好地減輕急性排斥反應并降低機會性感染風險，并且在術后一年獲得更好的腎臟功能指標。由于腎臟缺血/再灌注損傷具有高發(fā)病率，目前臨床上仍缺乏有效的預防及治療手段，因此干細胞移植為治療腎臟缺血/再灌注損傷提供了一種新思路。

4 展 望

腎臟缺血/再灌注損傷和急性腎損傷在臨床上具有較高的發(fā)病率和致死率，并且現有的治療手段未產生令人滿意的治療效果。目前的研究證實，干細胞具有幾個方面的優(yōu)點并在部分臨床試驗中被證實確實具有減輕缺血損傷等作用。盡管干細胞的確切作用仍需要大量的臨床試驗進一步驗證，但它為治療缺血/再灌注損傷提供了一種新方法。

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