間充質(zhì)干細胞移植治療作用機制

王佃亮，李燕妮

自從2009年12月世界上第一個干細胞新藥美國Osiris公司生產(chǎn)的Prochymal?上市[1]，迄今國外已有多種間充質(zhì)干細胞新藥被批準臨床應用，包括自體或異體來源的骨髓間充質(zhì)干細胞、臍帶間充質(zhì)干細胞、脂肪間充質(zhì)干細胞等(表1)。2018年以來，國內(nèi)也有多種間充質(zhì)干細胞新藥被國家藥品監(jiān)督管理局批準進行臨床試驗研究，包括北京三有利和澤生物科技有限公司與首都醫(yī)科大學申報的人牙髓間充質(zhì)干細胞注射液、天津昂賽細胞基因工程有限公司研發(fā)的人臍帶間充質(zhì)干細胞注射液、青島奧克生物開發(fā)有限公司研發(fā)的人臍帶間充質(zhì)干細胞注射液、北京漢氏聯(lián)合生物技術股份有限公司研發(fā)的人胎盤間充質(zhì)干細胞凝膠、無錫賽比曼生物科技有限公司等申報的CBM-ALAM.1異體人源脂肪間充質(zhì)祖細胞注射液、天津麥迪森再生醫(yī)學有限公司申報的人原始間充質(zhì)干細胞制劑、上海愛薩爾生物科技有限公司申報的臍帶間充質(zhì)干細胞注射液等。隨著時間延長，會有越來越多的重大疑難雜癥探索用間充質(zhì)干細胞進行移植治療，也會有越來越多的間充質(zhì)干細胞新藥被批準臨床應用。弄清間充質(zhì)干細胞移植治療的作用機制，對其臨床研究應用具有重要意義。作者對間充質(zhì)干細胞通過直接和間接兩種方式發(fā)揮治療作用機制進行論述。

表1 國外批準臨床應用的間充質(zhì)干細胞藥物

注：來源于各國衛(wèi)生或藥品主管部門官方網(wǎng)站

1 間充質(zhì)干細胞移植治療直接方式作用機制

人體組織器官功能障礙或結構損傷會導致疾病發(fā)生。功能障礙，即生理功能失調(diào)或紊亂，不能發(fā)揮正常生理功能，但是，并不涉及組織器官的實質(zhì)性損傷。人體內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)發(fā)生功能紊亂時，會導致各種疾病發(fā)生。當免疫系統(tǒng)功能增強，可能會發(fā)生過敏反應；而功能降低，可能會導致病原體入侵、腫瘤細胞逃離免疫監(jiān)視等。內(nèi)分泌系統(tǒng)也是這樣，譬如：甲狀腺功能亢進，會發(fā)生甲亢；功能不足，會發(fā)生甲減。人體組織器官功能障礙，如果長期得不到修復，就會誘發(fā)形成重大疾病。結構損傷，即結構遭到破壞。由內(nèi)部病理因素或外部物理、化學、生物等因素造成的組織器官結構損傷，進而導致功能障礙。組織器官功能障礙或結構損傷導致的疾病，可通過干細胞移植進行治療。移植的干細胞可修復功能障礙的組織器官或再生損傷的組織器官；同時，修復或再生的程度，也決定著臨床治療效果。

1.1 歸巢 “歸巢”現(xiàn)象，最初在淋巴細胞中發(fā)現(xiàn)，后借用于干細胞。人體中的干細胞有個壁龕，或稱干細胞龕、干細胞生態(tài)位、干細胞巢，由與干細胞相鄰的各種細胞、細胞外基質(zhì)和多種細胞因子組成，這種微環(huán)境對干細胞有保護作用[2-3]。

移植到體內(nèi)的干細胞，需要遷移到發(fā)揮作用的場所——靶組織器官。造血干細胞歸巢到造血組織，才能通過增殖分化，產(chǎn)生紅細胞、白細胞、血小板等血細胞。間充質(zhì)干細胞歸巢到損傷的組織器官，在該組織器官特定微環(huán)境誘導下，通過增殖分化，發(fā)育為損傷的組織細胞，進而對損傷的組織器官進行修復。

干細胞歸巢的原理是組織器官損傷后，會釋放多種生物活性因子，引導移植到患者體內(nèi)的外源間充質(zhì)干細胞向損傷部位遷移[4-5]。在這個過程中，受損組織器官產(chǎn)生的生物活性因子——配體，可與間充質(zhì)干細胞表面的受體結合，從而啟動間充質(zhì)干細胞從血管進入組織，并向損傷的組織器官遷移和植入。

在一些全身性損傷(如放射傷、系統(tǒng)性紅斑狼瘡和創(chuàng)傷性多器官功能不全)和局部創(chuàng)傷(如顱腦損傷、脊柱損傷和皮膚損傷)等涉及組織細胞變性、壞死、缺失的疾病治療中發(fā)現(xiàn)，無論是通過淺表靜脈輸入、血管介入、腔隙注射還是定位移植的臍帶間充質(zhì)干細胞，均可見到有部分細胞遷移、歸巢至損傷組織中。定植于損傷組織中的臍帶間充質(zhì)干細胞，可在組織微環(huán)境誘導下分化為相應組織類型的功能細胞，并整合到組織中。然而，在沒有組織損傷的健康對照動物體內(nèi)，幾乎未見有干細胞分布，說明植入損傷組織的臍帶間充質(zhì)干細胞參與了損傷組織的結構重建。

由于存在歸巢效率問題，若想在短期內(nèi)達到較好的組織器官修復再生效果，必須植入一定數(shù)量的干細胞。由于細胞在機體內(nèi)會有一定數(shù)量的凋亡和死亡，植入干細胞過少可能達不到預期治療效果。

1.2 促進外源干細胞植入患處 化學藥物注射到人體，發(fā)揮藥理作用后，被代謝排出體外。干細胞治療則不同，注射到體內(nèi)的活細胞，遷移歸巢到患處后，在患處增殖分化、修復或再生患病的組織器官，最后成為機體組成部分，這個過程就叫植入。所以干細胞治療通常稱為干細胞移植或干細胞移植治療。

移植到體內(nèi)的間充質(zhì)干細胞，通過分泌一些細胞因子，促進外源干細胞在體內(nèi)植入。當然，由于移植方法、途徑不同，移植的干細胞到達患處的數(shù)量也不同。有可能在非靶部位植入，導致安全隱患。

1.3 定向分化與多向分化 間充質(zhì)干細胞直接移植或歸巢到患病組織器官后，在該組織器官特定微環(huán)境誘導下，通過分裂增殖，分化發(fā)育為與患病組織器官細胞種類相同的細胞。在這個過程中，干細胞通過某一微環(huán)境誘導，基因組發(fā)生重編程，發(fā)育形成某一組織類型細胞，進行定向分化；或者通過不同微環(huán)境誘導，分別發(fā)育形成不同組織類型細胞，進行多向分化。定向分化和多向分化是衡量干細胞移植是否成功的關鍵，只有成功地進行定向分化和多向分化，才有可能治愈疾病。需要定期進行移植，才能維持一定治療效果。

定向分化是從縱向角度看，一種間充質(zhì)干細胞能夠分化為一種組織類型的細胞。多向分化是從橫向角度看，一種間充質(zhì)干細胞能誘導分化為多種組織類型的細胞。

2 間充質(zhì)干細胞移植治療間接方式作用機制

間充質(zhì)干細胞通過自分泌、旁分泌和遠程分泌可產(chǎn)生種類繁多的細胞因子[5-7]。根據(jù)主要功能，細胞因子可分為：①生長因子類：干細胞生長因子、成纖維細胞生長因子、肝細胞生長因子、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等；②集落刺激因子類：粒-巨噬細胞集落刺激因子、粒細胞集落刺激因子、巨噬細胞集落刺激因子等；③趨化因子類：中性粒細胞趨化因子1、單核細胞趨化蛋白1等；④白細胞介素(interleukin，IL)類：IL-6、IL-8等；⑤干擾素(interferon，INF)類：INF-γ、INF-α、INF-β等；⑥神經(jīng)營養(yǎng)因子類：神經(jīng)營養(yǎng)因子、膠質(zhì)源性神經(jīng)營養(yǎng)因子等；⑦轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor，TGF)類：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGFβ1β2、骨形成蛋白等；⑧腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)類：TNF-α、TNF-β等；⑨酶類：組織基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑1、纖溶酶、超氧化物歧化酶等。細胞因子的特點是含量甚微，但作用巨大。

2.1 雙向調(diào)節(jié)免疫反應和炎癥反應 間充質(zhì)干細胞具有強大的調(diào)節(jié)炎癥反應和免疫反應功能[8-9]。在體外培養(yǎng)體系中，間充質(zhì)干細胞與外周血單個核細胞接觸或非接觸培養(yǎng)，均能明顯抑制刺激后的T、B淋巴細胞增殖和IFN-γ、IL-2等細胞因子釋放；還發(fā)現(xiàn)前列素E2是間充質(zhì)干細胞發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用的重要介導因子；IFN-γ、IL-1等能顯著上調(diào)間充質(zhì)干細胞分泌前列素E2；間充質(zhì)干細胞還能抑制具有抗原提呈功能的樹突狀細胞成熟和自然殺傷細胞活性。

在抗炎癥反應方面，給創(chuàng)傷性、感染性、中毒性、急慢性炎癥反應的患者輸入間充質(zhì)干細胞，可發(fā)生炎癥反應癥狀減輕或消失、組織內(nèi)炎性細胞減少、移植組織細胞凋亡等現(xiàn)象。

由于免疫原性低，間充質(zhì)干細胞對固有免疫和適應性免疫的多種效應細胞都具有顯著的免疫調(diào)節(jié)作用。這種免疫調(diào)節(jié)作用并不是天然固有的,在很大程度上取決于所處微環(huán)境中炎癥介質(zhì)的種類、濃度等因素。

間充質(zhì)干細胞通常表現(xiàn)出來的免疫抑制作用，需要炎癥微環(huán)境中大量促炎因子的誘導，當不同種類、濃度的炎癥介質(zhì)誘導間充質(zhì)干細胞時，會表現(xiàn)出截然相反的免疫調(diào)節(jié)作用,既可以促進也可以抑制免疫應答反應，表現(xiàn)出免疫調(diào)節(jié)的可塑性或雙向調(diào)節(jié)。間充質(zhì)干細胞就像免疫環(huán)境的一個調(diào)和劑：當炎癥反應加強時，它會抑制免疫反應；當炎癥反應減弱時，它又會促進免疫反應。

間充質(zhì)干細胞調(diào)節(jié)免疫反應和炎癥反應的作用機制非常復雜，迄今仍沒有完全搞清楚，可能的作用機制包括細胞與細胞之間的直接接觸、通過旁分泌功能和分泌微囊泡等對免疫細胞進行調(diào)節(jié),激活細胞內(nèi)多條信號通路。這些因素可能協(xié)同作用，形成一個綜合調(diào)控網(wǎng)絡，對免疫系統(tǒng)進行精細調(diào)節(jié)。

通過對免疫反應、炎癥反應的調(diào)節(jié)作用，間充質(zhì)干細胞可以治療一些自身免疫性疾病和各種炎癥性疾病[10-13]，譬如器官移植后的免疫排斥反應、造血干細胞移植后的移植物抗宿主病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、糖尿病、關節(jié)炎、類風濕性關節(jié)炎、創(chuàng)傷性系統(tǒng)性炎癥反應、感染性膿毒血癥、急性過敏、特發(fā)性紫癜等，都具有較好的治療效果。

2.2 抗氧化應激、抗纖維化、抗凋亡 多種內(nèi)外在因素通過氧化應激、DNA損傷、端粒及端粒酶調(diào)控系統(tǒng)、衰老相關ARF/p53及p16INK4a/RB信號通路激活等途徑調(diào)控了間充質(zhì)干細胞衰老，導致一些衰老性疾病發(fā)生。通過植入患者體內(nèi)活力正常的間充質(zhì)干細胞，可以重建或恢復患病組織器官里衰老的間充質(zhì)干細胞，進行疾病治療。

這些外源性間充質(zhì)干細胞可通過分泌超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等抗氧化劑及其他途徑，緩解了因氧化應激造成的各種損傷[14]。在給亞健康人群輸入間充質(zhì)干細胞后，發(fā)現(xiàn)精神狀態(tài)變好、睡眠改善、食欲增加、體能增強等現(xiàn)象，其機制除了間充質(zhì)干細胞分泌的各種細胞因子發(fā)揮作用外，還可能與提升抗氧化應激能力和調(diào)控某些基因表達有關。

器官纖維化是一種嚴重疾病。發(fā)生纖維化后，實質(zhì)細胞減少，纖維結締組織增多，導致器官結構損傷、功能減退甚至衰竭。間充質(zhì)干細胞可分泌多種細胞因子，通過調(diào)節(jié)免疫反應和炎癥反應，減少促纖維化因子和膠原蛋白沉積，具有抗纖維化作用，用于治療肺、肝、腎等器官纖維化[9]。骨髓、脂肪、臍帶、牙髓等來源的間充質(zhì)干細胞，都可用于移植治療器官纖維化。

間充質(zhì)干細胞移植后，面臨一個缺乏氧氣和營養(yǎng)的環(huán)境，大部分細胞會在24 h內(nèi)發(fā)生死亡和凋亡。但是，生活狀態(tài)的間充質(zhì)干細胞能夠分泌一些細胞因子，譬如VEGF、胰島素樣生長因子1、肝細胞生長因子等，阻止受損組織器官的細胞發(fā)生凋亡，促進組織器官修復再生[8-9]。

2.3 造血支持作用及參與或促進血管再生 間充質(zhì)干細胞移植后，可通過分泌多種細胞因子(粒-巨噬細胞集落刺激因子、粒細胞集落刺激因子、基質(zhì)細胞衍生因子、VEGF等)，促進造血干細胞增殖分化，從而增強造血功能，具有造血支持作用[15]。

移植的間充質(zhì)干細胞，還可以直接參與或間接促進損傷的組織器官血管再生[16-17]。間充質(zhì)干細胞是一群異質(zhì)性細胞，其中表達某些抗原標志的亞群細胞可分化為內(nèi)皮細胞，這些細胞進入組織器官損傷部位后具有血管再生作用。間充質(zhì)干細胞本身能夠分泌VEGF，可有效地促進血管再生，改善血液循環(huán)。

2.4 激活內(nèi)源干細胞增殖分化及患病組織器官已分化的正常細胞去分化 通常情況下，內(nèi)源干細胞在干細胞巢中處于相對平衡狀態(tài)。在外源間充質(zhì)干細胞釋放的生長因子(如干細胞生長因子、成纖維細胞生長因子等)作用下，打破動態(tài)平衡，開始增殖分化，參與損傷組織器官的修復再生[6]。與此同時，激活患病組織器官已分化的正常細胞去分化，啟動基因組重編程，開始增殖分化，形成大量新細胞，修復再生患病的組織器官。

2.5 其他 間充質(zhì)干細胞的移植治療作用機制，還包括抗衰老、抗瘢痕等[18-19]。當然，可能存在仍未發(fā)現(xiàn)的移植作用機制。人體內(nèi)成體干細胞數(shù)量減少、功能退化，會導致衰老。通過增加體內(nèi)間充質(zhì)干細胞數(shù)量、提高間充質(zhì)干細胞質(zhì)量，會有效地延緩人體衰老進程。當然，其他類型的干細胞，譬如造血干細胞、胚胎干細胞等，也具有抗衰老作用。間充質(zhì)干細胞通過抗瘢痕作用，使愈合后的傷口表面相對平滑，所以間充質(zhì)干細胞可被用于整形美容。

3 展望

間充質(zhì)干細胞是最早發(fā)現(xiàn)、也是最早批準臨床應用的干細胞類型，在臨床上應用范圍很廣[20-26]。包括血液系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、消化系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、骨骼系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病、免疫系統(tǒng)疾病、泌尿生殖系統(tǒng)疾病，以及抗衰老、增強免疫力、整形美容等，并可應用于角膜損傷、視網(wǎng)膜損傷、皮膚損傷、燒傷等領域(表2)。目前國外有多個產(chǎn)品被批準臨床應用。間充質(zhì)干細胞移植治療的疾病譜比造血干細胞更加廣泛，可能與其多種多樣的治療作用機制有關。

表2 間充質(zhì)干細胞移植治療的疾病

間充質(zhì)干細胞移植的治療作用，是多種機制綜合作用的結果。通過多種作用機制協(xié)調(diào)，從結構和功能上修復或再生患病的組織器官，使其發(fā)揮正常生理功能，達到治療目的。同時，由于間充質(zhì)干細胞能夠促進造血干細胞增殖分化，造血干細胞聯(lián)合間充質(zhì)干細胞移植，具有更好的臨床治療效果。當然，不同疾病、不同間充質(zhì)干細胞，治療機制會有差異。迄今，關于間充質(zhì)干細胞的治療機制，并沒有完全弄清，仍需要深入研究。