單側(cè)輸尿管梗阻引起輸尿管損傷的新認(rèn)知及進(jìn)展

·綜述·

單側(cè)輸尿管梗阻引起輸尿管損傷的新認(rèn)知及進(jìn)展

New cognition and progress of unilateral injury caused by unilateral ureter obstruction

邢健生，白志明(中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院附屬?？卺t(yī)院泌尿外科，海南 ?？?570208)

[關(guān)鍵詞]單側(cè)輸尿管梗阻；輸尿管損傷；間質(zhì)干細(xì)胞；輸尿管組織工程；輸尿管修復(fù)

單側(cè)輸尿管梗阻(unilateral ureter obstruction，UUO)是尿路梗阻性病變的一種主要類型，梗阻的長(zhǎng)期存在會(huì)進(jìn)一步加重輸尿管損傷。梗阻和損傷的相互作用?？梢l(fā)輸尿管狹窄、纖維化，進(jìn)而加重尿路梗阻、引起尿液輸送異常、最終導(dǎo)致腎臟功能受損。間質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一類來源于中胚層系的多能干細(xì)胞，可通過旁分泌及自分泌作用對(duì)輸尿管損傷進(jìn)行修復(fù)，并且能夠促進(jìn)輸尿管組織工程支架的血管新生，抑制支架的再發(fā)梗阻及纖維化，在輸尿管損傷的治療方面具有很大的臨床潛力。本文在介紹輸尿管損傷病理生理機(jī)制的同時(shí)重點(diǎn)闡述了間充質(zhì)干細(xì)胞對(duì)輸尿管損傷的修復(fù)及MSCs在輸尿管組織工程中應(yīng)用的新認(rèn)知及進(jìn)展，為臨床上輸尿管梗阻性疾病的治療提供了新思路。

1輸尿管的形態(tài)及生理功能介紹

1.1輸尿管的解剖特點(diǎn)

輸尿管是一肌性管道，成人輸尿管全長(zhǎng)22～30 cm，兒童輸尿管長(zhǎng)度有明顯的個(gè)體差異，其長(zhǎng)度與年齡、身高呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系，如新生兒輸尿管全長(zhǎng)約為6.5 cm，2歲小孩約為12 cm，6歲兒童約為14 cm。輸尿管的管壁較厚，由內(nèi)到外依次分為黏膜層、肌層及外膜層。黏膜層表面為移行上皮組織披覆，其下為疏松結(jié)締組織和彈性組織構(gòu)成的固有層；中間為肌層，從上端到下端肌層逐漸增厚，上2/3段由內(nèi)層縱肌和外層環(huán)肌構(gòu)成，下1/3段由內(nèi)縱形肌、中環(huán)形肌和外縱形肌3層肌肉構(gòu)成[1]；最外層為疏松結(jié)締組織構(gòu)成的外膜層，眾多營(yíng)養(yǎng)血管由外膜層發(fā)出分支至肌層，在黏膜內(nèi)形成毛細(xì)血管網(wǎng)，然后集合成靜脈穿出輸尿管[2]。輸尿管環(huán)形肌的階段性收縮和舒張，使管腔閉合和松弛；而縱形肌的活動(dòng)則使管腔縱向舒縮；因此，兩者的協(xié)同作用使尿液輸送至膀胱。

輸尿管神經(jīng)叢由腎叢、主動(dòng)脈叢、腸系膜上叢和腸系膜下叢的神經(jīng)纖維組成。這些神經(jīng)纖維的中樞位于T10～T12胸髓，L1和S2～S4。輸尿管神經(jīng)叢和輸尿管肌層內(nèi)可見散在的神經(jīng)節(jié)分布，以輸尿管下段最多[3]。

1.2輸尿管平滑肌的電生理特征

輸尿管平滑肌是合胞體細(xì)胞平滑肌，并不是每個(gè)細(xì)胞都受神經(jīng)支配；電興奮的傳導(dǎo)是通過細(xì)胞間低電阻的中間接觸點(diǎn)由一個(gè)肌細(xì)胞向周圍肌細(xì)胞傳導(dǎo)；因此，輸尿管平滑肌細(xì)胞在不受外來神經(jīng)支配時(shí)仍可出現(xiàn)近于正常的收縮活動(dòng)。胃腸道Cajal細(xì)胞(Interstitial cells of Cajal，ICC)是一種慢波起搏細(xì)胞，參與起搏信號(hào)的產(chǎn)生與傳導(dǎo)，并可以介導(dǎo)神經(jīng)信號(hào)向平滑肌細(xì)胞傳導(dǎo)，對(duì)胃腸道的動(dòng)力學(xué)功能起到重要調(diào)控作用。近年來，相關(guān)研究分別在豚鼠和人的輸尿管、膀胱及尿道中相繼發(fā)現(xiàn)了形態(tài)和功能上與ICC類似的ICC樣細(xì)胞(ICC-like cells，ICCs)[4-5]；這種細(xì)胞與逼尿肌細(xì)胞之間存在電興奮傳導(dǎo)通路，可將興奮信號(hào)傳遞給周圍的逼尿肌細(xì)胞[6]。隨后又有研究表明，ICCs在輸尿管平滑肌的自發(fā)性收縮中起重要作用，其極有可能是輸尿管的起搏細(xì)胞[7]。另有研究發(fā)現(xiàn)，M3受體及α1-腎上腺素能受體(α1-AR)是輸尿管平滑肌細(xì)胞中重要的G蛋白偶聯(lián)受體，兩者的興奮均可使輸尿管平滑肌的收縮力增強(qiáng)及收縮頻率加快[8-9]。這說明了M3受體和α1-AR均在輸尿管平滑肌的收縮中扮演著重要角色。

2UUO所致輸尿管損傷的病理生理機(jī)制

UUO是引起輸尿管損傷的常見原因之一。完全性UUO所致的輸尿管損傷可出現(xiàn)炎癥反應(yīng)、局部組織損傷、細(xì)胞壞死及纖維化；如不及時(shí)解除梗阻，最終將導(dǎo)致不可逆的腎損傷。UUO發(fā)生后，最初輸尿管為了維持正常的尿液運(yùn)輸功能，輸尿管平滑肌收縮增強(qiáng)，梗阻近端肌層增厚，管腔擴(kuò)張；若梗阻繼續(xù)存在，輸尿管將逐漸喪失代償能力，出現(xiàn)管壁變薄、肌肉萎縮、收縮力減弱或消失以及輸尿管壁纖維化，進(jìn)而導(dǎo)致腎及輸尿管積水、腎實(shí)質(zhì)營(yíng)養(yǎng)血管受壓、腎缺血性萎縮，最終發(fā)展為不可逆的腎損傷。

研究發(fā)現(xiàn)[8,10]，在UUO大鼠模型中發(fā)現(xiàn)梗阻前8周輸尿管尚處于機(jī)體代償階段，輸尿管平滑肌中M3受體水平表達(dá)上調(diào)，輸尿管平滑肌的自律性增加、收縮力增強(qiáng)，細(xì)胞質(zhì)中的線粒體增多；梗阻至16周時(shí)輸尿管平滑肌中的M3受體水平表達(dá)下調(diào)，輸尿管平滑肌的自律性降低、收縮力減弱，細(xì)胞質(zhì)中線粒體數(shù)目減少，線粒體腫脹和空泡化，細(xì)胞間質(zhì)中有大量膠原纖維增生。此外，有研究[11]發(fā)現(xiàn)，UUO病變的過程能夠直接影響輸尿管平滑肌細(xì)胞的能量代謝，在梗阻后期出現(xiàn)輸尿管平滑肌能量代謝的紊亂，細(xì)胞內(nèi)Ca2+的穩(wěn)態(tài)遭到破壞，發(fā)生鈣超載，導(dǎo)致輸尿管平滑肌超微結(jié)構(gòu)和功能的進(jìn)一步損害。該項(xiàng)研究為UUO所致輸尿管平滑肌細(xì)胞損傷的病理機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)室依據(jù)。UUO模型廣泛用于梗阻性腎病的研究，尤其是腎損傷的研究。但是，關(guān)于其所致輸尿管自身損傷的病理生理機(jī)制的研究，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道甚少，其病理生理機(jī)制尚未完全明確，后期需進(jìn)一步闡明。

3輸尿管損傷的治療

3.1輸尿管組織工程支架替代治療

臨床上最常見的輸尿管損傷是醫(yī)源性損傷，其中75%為梗阻性損傷[12]。輸尿管任何部位發(fā)生任何性質(zhì)的梗阻，均可引起尿液輸送異常，不同程度地影響腎功能，嚴(yán)重時(shí)則發(fā)展為不可逆性腎損傷。梗阻一旦形成，藥物治療效果不佳，目前首選的治療措施是手術(shù)解除梗阻，主要有非泌尿系組織替代或雙J管支架植入等方法。輸尿管組織工程支架材料主要包括可降解的人工合成高分子材料和天然的脫細(xì)胞基質(zhì)兩種[13]?？山到馍镏Ъ艹四芙獬Ｗ琛⒒謴?fù)尿液運(yùn)輸，還可用作為輸尿管的再生支架，形成具有正常輸尿管形態(tài)和功能的人工輸尿管，達(dá)到了修復(fù)和重建的目的，避免了二次手術(shù)取出。脫細(xì)胞基質(zhì)包括小腸黏膜下層及輸尿管基質(zhì)。常用于種植的成體細(xì)胞有尿路上皮細(xì)胞(包括膀胱上皮細(xì)胞、輸尿管上皮細(xì)胞)、尿路平滑肌細(xì)胞等。

輸尿管是管狀器官，修復(fù)的方式有片狀修復(fù)和管狀修復(fù)2種。Smith等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在損傷面積較小時(shí)，輸尿管組織工程以片狀修復(fù)為主，且效果滿意；但缺損面積過大時(shí)，損傷的輸尿管則主要由纖維組織修復(fù)，原有功能喪失；隨后，Osman[15]和Assmy等[16]通過研究發(fā)現(xiàn)單純小腸黏膜下層和輸尿管基質(zhì)不宜用于輸尿管損傷長(zhǎng)度超過3 cm的管狀替代治療，且管狀修復(fù)易使移植側(cè)輸尿管出現(xiàn)纖維化甚至引發(fā)再次梗阻。移植物纖維化是導(dǎo)致輸尿管發(fā)生再次梗阻的主要原因之一。Duchene等[17]試圖用Ⅰ型膠原抑制劑治療移植物纖維化，以提高小腸黏膜下層管狀替代輸尿管的效果，但未獲預(yù)期效果。近年來，Hakim等[18]將自體尿路上皮細(xì)胞和膀胱平滑肌細(xì)胞復(fù)合種植到小腸黏膜下層(SIS)及輸尿管基質(zhì)上，對(duì)受損長(zhǎng)達(dá)3～5 cm的輸尿管進(jìn)行管狀替代治療，術(shù)后發(fā)現(xiàn)移植物出現(xiàn)纖維化和狹窄，替代效果不佳。

移植物發(fā)生纖維化和狹窄的具體機(jī)制尚不明確，可能與移植物內(nèi)的血管再生有關(guān)。有研究[19]將外源性血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)及神經(jīng)生長(zhǎng)因子浸潤(rùn)到生物支架材料上，然后利用其構(gòu)建組織工程化組織或器官，以加速神經(jīng)血管化的形成，這取得了良好的效果。Guan等[20]通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將表達(dá)VEGF的基因植入種子細(xì)胞，利用其持續(xù)分泌VEGF，促進(jìn)血管生成，同樣取得良好效果。Matsunuma等[21]將輸尿管尿路上皮細(xì)胞及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)種植到輸尿管脫細(xì)胞基質(zhì)支架上，并將其植入到裸鼠或裸兔體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)種植有BMSCs的支架材料能很好地促進(jìn)血管生成。隨后，Shen等[22]也做了一個(gè)相似的實(shí)驗(yàn)，用聚乙酸內(nèi)酯卵磷脂支架材料代替了輸尿管脫細(xì)胞基質(zhì)，出現(xiàn)了類似效果。

此外，尚有許多細(xì)胞因子如堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子、血小板衍化生長(zhǎng)因子、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子及肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(HGF)等均被認(rèn)為與血管化及神經(jīng)再生有關(guān)。但是，它們對(duì)組織工程學(xué)的積極意義則有待進(jìn)一步研究、驗(yàn)證。

3.2MSCs對(duì)輸尿管損傷的治療

3.2.1MSCs與輸尿管組織工程支架輸尿管梗阻性損傷術(shù)后易出現(xiàn)代謝紊亂、感染、疼痛及排斥反應(yīng)等并發(fā)癥，且需再次手術(shù)取出。MSCs的出現(xiàn)及組織工程技術(shù)的發(fā)展為輸尿管損傷的修復(fù)與重建提供了新思路。MSCs最先發(fā)現(xiàn)來源于骨髓，但還可以從臍帶血、脂肪組織、胎盤等多處組織中獲取。MSCs屬于中胚層系細(xì)胞，在體外培養(yǎng)呈成纖維細(xì)胞樣貼壁生長(zhǎng)，具有多向分化潛能，可在體外誘導(dǎo)分化成脂肪細(xì)胞、成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞等。MSCs分化成平滑肌細(xì)胞用于膀胱修復(fù)早有報(bào)道。近年來，MSCs能在體外誘導(dǎo)分化為移行上皮細(xì)胞也已經(jīng)得到證實(shí)。最近，張明等[23]證實(shí)了MSCs可以分化成尿路上皮細(xì)胞。這些均說明了MSCs可用于參與尿道組織工程的重建及修復(fù)。此外，MSCs能“歸巢”到損傷組織，通過旁分泌及自分泌來分泌一些保護(hù)性細(xì)胞因子，從而起到抑制炎癥反應(yīng)、抗凋亡、促血管再生及改善纖維化等作用[24]。

成體細(xì)胞擴(kuò)增能力有限，而MSCs可分化為成體細(xì)胞代替其發(fā)揮作用。因此，MSCs可被用作為輸尿管組織工程的種子細(xì)胞。Zhang等[25]以犬為研究對(duì)象，分離MSCs并種植到SIS支架材料上進(jìn)行體外培養(yǎng)，并將其植入到體內(nèi)進(jìn)行膀胱部分替代治療；10周后觀察發(fā)現(xiàn)增殖的MSCs在組織形態(tài)學(xué)表現(xiàn)及生物特性等方面與膀胱平滑肌細(xì)胞極其相似。Jack等[26]利用人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞作為種子細(xì)胞，經(jīng)過誘導(dǎo)分化成平滑肌后種植于三維合成的支架上構(gòu)建了組織工程膀胱平滑經(jīng)組織并植入裸鼠體內(nèi)，進(jìn)一步證實(shí)了干細(xì)胞構(gòu)建尿道組織的可行性。MSCs對(duì)輸尿管組織工程重建的研究，目前尚處于探索階段，后期需進(jìn)一步研究。

3.2.2MSCs對(duì)輸尿管的修復(fù)MSCs除了具有作為輸尿管組織工程種子來源細(xì)胞的潛能外，還能通過分泌一些細(xì)胞因子(如VEGF、HGF等)促進(jìn)血管生成，對(duì)輸尿管支架的再梗阻及狹窄起到抑制作用，提高移植的成功率[27-31]。此外，MSCs對(duì)損傷輸尿管自身的修復(fù)作用可能也會(huì)改善梗阻及纖維化的程度，但目前相關(guān)研究甚少，具體作用機(jī)制尚未完全明確。

輸尿管損傷后移行上皮細(xì)胞及血管內(nèi)皮細(xì)胞具有良好的再生能力，平滑肌細(xì)胞也有一定的分裂再生能力、但再生能力較弱，其主要是通過纖維瘢痕修復(fù)。MSCs修復(fù)輸尿管損傷的機(jī)制可能是MSCs“歸巢”到損傷輸尿管組織后，通過分化為受損組織的實(shí)質(zhì)細(xì)胞來修復(fù)受損組織，也可能是通過旁分泌或自分泌機(jī)制分泌一些保護(hù)性細(xì)胞因子(如VEGF、HGF等)，從而起到抑制炎癥反應(yīng)、抗凋亡、促血管再生及改善纖維化等作用。最近，本實(shí)驗(yàn)室在建立小鼠UUO模型的同時(shí)將BMSCs經(jīng)建模側(cè)的腎動(dòng)脈注入，10 d后予以解除梗阻，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組受損輸尿管的復(fù)通率明顯高于對(duì)照組；這說明了BMSCs對(duì)輸尿管損傷有一定的修復(fù)作用，這可能是利用MSCs的生物學(xué)特性及通過旁分泌或自分泌機(jī)制分泌一些具有修復(fù)功能的細(xì)胞因子(如HGF、VEGF等)及抑制促細(xì)胞纖維化因子(如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1等)的表達(dá)等來促進(jìn)炎癥修復(fù)及抑制纖維化形成，從而起到修復(fù)作用[32]。但是，MSCs修復(fù)輸尿管損傷的具體機(jī)制目前尚未完全明確，后期需進(jìn)一步研究并證實(shí)。

4展望

輸尿管損傷，特別是梗阻性損傷，如不解除梗阻，最終則發(fā)展為不可逆性腎損傷；而梗阻的有效解除，則有賴于輸尿管本身結(jié)構(gòu)功能的修復(fù)。UUO是目前研究泌尿系梗阻性疾病的常用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停壳皩?duì)該模型的研究主要集中于其所致的腎損傷的研究，鮮有對(duì)輸尿管自身損傷機(jī)制的研究。這可能是出自對(duì)臨床上所有的泌尿系梗阻性疾病最后均可導(dǎo)致腎損傷的考慮，這不管從病理生理機(jī)制還是治療方面都是一個(gè)研究熱點(diǎn)及研究方向的歸屬點(diǎn)；再者可能是由于輸尿管平滑肌的結(jié)構(gòu)特殊、電生理活動(dòng)復(fù)雜，在探討損傷機(jī)制的單因素研究中有諸多問題尚待解決，如：梗阻部位、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物性別等的選擇，這些因素都可能直接影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

前期，本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)通過UUO大鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，BMSCs對(duì)輸尿管損傷有一定的修復(fù)作用，認(rèn)為可能是MSCs通過旁分泌或自分泌機(jī)制分泌一些細(xì)胞因子對(duì)受損的輸尿管起到修復(fù)作用。但是具體機(jī)制尚未完全明確，有待進(jìn)一步研究證實(shí)。由于MSCs能夠促進(jìn)輸尿管組織工程支架上血管新生，減少再次梗阻及纖維化。因此，MSCs作為輸尿管組織工程的理想種子細(xì)胞用于對(duì)受損輸尿管的修復(fù)及重建正日益受到學(xué)者們的關(guān)注。我們將在大動(dòng)物(如五指山小型豬)模型中進(jìn)一步研究MSCs對(duì)UUO所致輸尿管損傷的修復(fù)及對(duì)損傷輸尿管的組織工程重建的作用，以便為下一步臨床研究及應(yīng)用提供依據(jù)。隨著對(duì)MSCs的深入研究及輸尿管損傷病理機(jī)制的進(jìn)一步明確，MSCs對(duì)損傷輸尿管的修復(fù)及重建作用將會(huì)得到更有力證實(shí)，并在UUO所致輸尿管損傷的替代治療領(lǐng)域取得重大突破。

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(編輯：周小林)

[收稿日期]2014-09-18[修回日期] 2014-10-11

[基金項(xiàng)目]海南省重大科技項(xiàng)目(2013-SZK-01-039)

doi:10.11659/jjssx.09E014005

[中圖分類號(hào)]R693.5

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1672-5042(2015)04-0447-04