人臍帶間充質干細胞治療不同疾病的研究進展

巫 丹尹 宇

(昆明理工大學靈長類轉化醫(yī)學研究院,昆明 650000)

間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)最早起源于早期中胚層,能夠自我更新并具有多向分化的潛能,可從成體骨髓、牙髓、脂肪組織、臍帶等組織中分離[1-2]。 由于MSCs 具有免疫調節(jié)的作用,因此MSCs 在損傷組織修復和自身免疫性疾病的細胞治療領域備受青睞[3-4]。 其中,來源于臍帶的間充質干細胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells,hUCMSCs)因具有多能性、低致瘤性、低免疫原性、增殖率高和獲取方便等特點[5-6],成為了同種異體環(huán)境中細胞移植的重要適用細胞來源,其亦可能成為干細胞治療的優(yōu)先選擇。

1 hUCMSCs 的來源及生物學特征

臍帶由三部分構成:臍血管,羊膜被覆上皮以及華通氏膠(Wharton’s Jelly)[7]。 根據臍帶的組成結構,人臍帶間充質干細胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells,hUCMSCs)的來源大致可以分為4 種:(1)從人臍帶華通膠中得到的間充質干細胞 (human Wharton’ s Jelly mesenchymal stem cells,hWJMSCs),(2)來源于人臍帶血的間充質干細胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells,hUCMSCs),(3)來自人臍帶血管周圍組織的間充質干 細 胞 ( human umbilical cord perivascular mesenchymal stem cells,hUCPV-MSCs),(4)從羊膜中獲得的間充質干細胞(mesenchymal stem cells derived from human umbilical cord amnion,hAMSCs)。

hWJMSCs 高表達白細胞分化抗原(cluster differentiation,CD),如 CD29、CD90、CD44、CD105等,低表達人白細胞 DR 抗原(human leukocyte antigen-DR,HLA-DR),且極少表達CD45 抗原,因此其免疫原性較低,可用于損傷組織修復和治療自身免疫缺陷病[8-9]；臍帶血來源的 hUCMSCs 高表達MSCs 相關抗原如 CD73、CD90、CDl05 和黏附分子CD44,不表達造血細胞標志 CD11b、CD14、CD19、HLA-DR[10-11]；臍帶血管周圍的hUCPV-MSCs 高表達 CD105、CD73、CD90 及 CD44,不表達 CD34、CD235a、VCAM1、IL-3、及 OCT4,由于 hUCPV-MSCs)存在細胞含量少及增殖傳代能力較弱的特性[12-13],無法在臨床和科學研究中廣泛應用,因此相關研究較少；羊膜來源的 hAMSCs 高表達 CD73、CD90、CD105,可誘導分化為成脂和成骨細胞,同時,hAMSCs 具有促血管生成、組織修復及免疫調節(jié)功能[14-15]。 目前臨床研究及應用得最多的是hWJMSCs 和 hUCMSCs,統(tǒng)稱為 hUCMSCs。

2 hUCMSCs 治療不同疾病的研究進展

2.1 hUCMSCs 治療肝損傷

hUCMSCs 可減少CD8+T 細胞數量,進而減少干擾素-γ 和腫瘤壞死因子的產生；同時可以抑制肝內已經活化的巨噬細胞向抗炎型M2 細胞轉化,并阻止肝內的炎癥級聯反應[16-17]。 2016 年 Bi 等[17]證實,移植進小鼠內的hUCMSCs 可以通過降低miR-199 的表達來降低角質細胞生長因子的生成,進而阻止肝星狀細胞的活化和聚集,從而起到降低門靜脈壓力、減少肝纖維化和修復肝損傷的作用。 近期在Shao 等[18]的研究中確定了hUCMSCs 受到 IL-6刺激后,會分泌可能靶向作用于PI3K 信號通路的富含miR-455-3p 的外泌體。 這種外泌體在體內和體外均可抑制脂多糖(LPS)誘導的巨噬細胞活化和細胞因子的產生,并且在化學性肝損傷小鼠模型中,miR-455-3p 的表達增強可以減弱巨噬細胞浸潤和局部肝損傷,并降低血清中的炎性因子水平,從而改善肝功能。 另外, 在 Li 等[19]的研究中,hUCMSCs 已顯示出對糖尿病和肝病(如肝硬化和暴發(fā)性肝衰竭) 的治療潛力,在臨床研究中進行hUCMSCs 輸注可顯著改善高糖血癥,并降低血液中甘油三酸酯,總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇含量,從而為2 型糖尿病(T2DM)患者中的非酒精性脂肪肝疾病(NAFLD)患者帶來治療的希望。

2.2 hUCMSCs 治療腎損傷

急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)是臨床中常見的腎相關疾病,急性腎損傷后若無法得到及時有效的治療,腎功能將快速惡化,甚至導致功能性腎衰竭[20]。 Andrade 等[21]報道稱,體外培養(yǎng)的hUCMSCs 移植可有效改善急性腎損傷。 其作用機制可能是hUCMSCs 體內定向分化成腎小管上皮細胞,替代已經受損或壞死的腎組織細胞,并改善腎受損程度和減輕受損部位的炎癥反應。 此外有幾項研究都表明hUCMSCs 可作用于雄性大鼠AKI 模型并改善其腎受損情況。 其作用機制可能是:(1)hUCMSCs 降低趨化因子CX3CL1 的表達從而減少受損部位炎性細胞的大量激活及浸潤,減輕炎癥反應,最終抑制腎組織細胞的變異、增生及纖維化；(2)hUCMSCs 分泌的外泌體可通過下調低氧誘導因子-1 的表達而抑制細胞凋亡,同時上調表達血管內皮生長因子,促進血管生成并修復腎損傷組織[22-23]。 除此之外,hUCMSCs 可與胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factors 1,IGF-1)嵌合成hUCMSCs-IGF-1 復合體,該復合體移植入大鼠AKI模型后,可移動至腎受損處同時黏附于血管壁上,促進血管內皮細胞大量增殖；同時hUCMSCs-IGF-1復合體可通過激活PI3K/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信號通路從而減少AKI 模型鼠腎組織中的細胞損傷,增強其抗炎能力,繼而緩解腎損傷[24]。因此可以認為,hUCMSCs 的移植將是AKI 有效的前瞻性治療方法。

2.3 hUCMSCs 治療皮膚損傷

hUCMSCs 近年來由于其具有多能性、低免疫原性和可重建皮膚組織結構等特點而被認為是皮膚損傷的潛在治療來源。 hUCMSCs 移植到皮膚損傷部位后,一方面可通過定向分化成表皮樣細胞,促進皮膚角質上皮再生及血管生成,使受損皮膚逐漸愈合；另一方面hUCMSCs 可通過調節(jié)Wnt4 信號通路,促進β-連環(huán)蛋白核轉運,增強表皮細胞的增殖能力,并通過激活Akt 信號通路來抑制表皮細胞凋亡使損傷皮膚修復[24]。 在 Montanucci 等[25]研究中,將hUCMSCs 置于纖維蛋白雙層膜上后進行移植,可以加快受損皮膚的上皮再生。 此外,Mejía-Barradas 等[26]發(fā)現皮脂切除術后產生繼發(fā)性慢性潰瘍的患者在接受了hUCMSCs 的皮膚治療后發(fā)現hUCMSCs 可誘導瘢痕形成和新血管形成,同時可減少產生白細胞和促炎因子,繼而發(fā)揮其促進皮膚愈合的作用。 因此hUCMSCs 也被提出可作為治療術后皮膚病變的一種新的方法。

2.4 hUCMSCs 治療脊髓損傷

急性脊髓損傷(acute spinal cord injury,ASCI)是一類由于高爆發(fā)暴力引起的椎體移位或骨折殘片侵入人體內椎管,導致脊髓受到嚴重機械性損傷的疾病,ASCI 的預后通常較差[27]。 而 hUCMSCs 易于獲得和免疫原性低的特點使它成為治療脊髓損傷這類疾病的熱門選項。 2018 年,張陸等[28]通過對比hUCMSCs 移植前后ASCI 患者的功能指標后發(fā)現,hUCMSCs 可以明顯改善ASCI 患者的神經功能損傷,并且促進其恢復的同時不影響機體本身的免疫功能。 另外,人神經干細胞(human neural stem cells,hNSCs)也是在脊髓損傷模型中可用于細胞治療的移植材料[29]。 先前的研究表明,MSCs 可以調節(jié)NSCs 的細胞微環(huán)境并提高移植后NSCs 的存活率,并且與其他干細胞相比,MSCs 移植后相關的腫瘤發(fā)生率明顯更低[30]。 2019 年 Sun 等[31]研究表明,與單獨移植hUCMSCs 和單獨移植hNSC 相比,髓內聯合移植hUCMSCs 與hNSCs 后治療效果明顯更好。 因此雖尚未清楚其作用機制,但可以認為hUCMSCs 是未來用于臨床治療急性脊髓損傷的一個很有潛力的治療工具。

2.5 hUCMSCs 治療 cGVHD

慢性移植物抗宿主病(chronic graft-versus-host diaease,cGVHD)是移植手術后最常見的并發(fā)癥之一,一般發(fā)生在移植100 d 左右,是手術后患者非疾病復發(fā)致死的主要原因[32-33]。 而hUCMSCs 獨特的免疫調節(jié)能力使其在cGVHD 相關研究中備受關注。 近期張玲等[34]研究報道稱,接受hUCMSCs 治療后cGVHD 患者外周血中原本高表達CD19+的細胞數量有逐漸降低的趨勢,并且未觀察到和hUCMSCs 移植相關的不良反應,患者也沒有復發(fā)原發(fā)病以及產生間充質干細胞相關的腫瘤。 這意味著hUCMSCs 用于治療難治性慢性移植物抗宿主病是有效并且安全的。 另外還有實驗表明,盡管與對照組小鼠相比,所有類型的間充質干細胞移植后小鼠均具有統(tǒng)計學上顯著的存活延長,但僅在接受hBMMSCs 和hUCMSCs 的小鼠中觀察到了顯著的組織病理學改善。 即其他類型的MSCs 在體內的抗炎作用不如 hUCMSCs 和 hBMMSCs[35]。 因而可以預見,在未來關于治療移植物抗宿主病的研究中,hUCMSCs 將成為一個熱門選項。

2.6 hUCMSCs 治療卵巢早衰

作為異質性疾病,40 歲以下的女性中,有1%～3%的女性患有卵巢早衰(premature ovarian failure,POF),其病理特征包括卵巢功能紊亂、雌激素水平降低和性腺激素水平升高,但目前臨床還沒有非常有效的治療手段[36-37]。 越來越多的證據表明,hUCMSCs 的移植是治療POF 的潛在療法。 研究表明,hUCMSCs 可以上調血紅素加氧酶-1(HO-1)的表達,而HO-1 在卵巢的生理功能和垂體腺分泌促性腺激素功能中具有關鍵作用[38-39]。 但是在hUCMSCs 治療POF 小鼠的相關研究中關于HO-1的作用和機制的了解還很少。 最近,Yin 等[39]發(fā)現在hUCMSCs 中表達的HO-1 基因可通過激活JNK/Bcl-2 信號通路和上調CD8+CD28-T 細胞的表達來實現hUCMSCs 移植后恢復POF 小鼠的卵巢功能。這些發(fā)現為隨后的臨床上基于hUCMSCs 的人類治療提供了新的目標。

2.7 hUCMSCs 治療帕金森和阿爾茨海默癥

MSCs 可用于治療神經退行性疾病引起了臨床研究領域極大的關注,因為大部分神經退行性疾病都極其影響患者的生活質量,并且暫時沒有其他有效的藥物治療手段[40-41]。 Lo 等[42]研究表明,通過頸動脈移植 hUCMSCs 能夠明顯使帕金森(Parkinson’s disease,PD)患者的 UPDRS 評分和Webster 評分升高。 hUCMSCs 治療神經退行性疾病的作用機制尚不明確,目前提出的可能有:hUCMSCs能夠分化成促使神經再生及修復的神經元；hUCMSCs 旁分泌作用產生的細胞因子可以緩解黑質紋狀體的損傷,并抑制PD 患者多巴胺神經元的凋亡[43-44]。 此外也有報道提出,hUCMSCs 可以使外周神經損傷后的軸突再生,并且可以到達神經起到修復再生的作用[45-46]。

阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease,AD)的病理特征目前主要認為是由β-淀粉樣蛋白聚集體引起的,但尚不清楚這些蛋白質聚集體與臨床癥狀之間的致病機制[47-48]。 hUCMSCs 分泌的神經營養(yǎng)因子也許可以改善這種復雜的細胞環(huán)境并抑制神經細胞凋亡[49],同時hUCMSCs 可能通過逆轉大腦中的小膠質細胞神經炎癥而產生持續(xù)的神經保護作用[50]。 此外 Oh 等[51]研究證實,hUCMSCs 可以減少β-淀粉樣前體蛋白轉基因小鼠大腦中的淀粉樣沉積。 因此雖然PD 和AD 這兩種神經退行性疾病的致病機制尚不完全清楚,但hUCMSCs 已經給我們帶來了治愈神經退行性疾病新的希望。

2.8 hUCMSCs 治療阻塞性肺疾病

在美國,死于慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)的人數僅次于癌癥和心血管疾病[52]。 根據世界衛(wèi)生組織(WHO)的估計,全世界目前有6500 萬人患有中度至重度COPD[53]。 目前用于治療COPD 的藥物包括支氣管擴張藥、吸入類固醇、口服類固醇、磷酸二酯酶4 抑制劑、茶堿和抗生素。 臨床上還使用肺療法治療COPD,例如氧氣療法；此外還有進行減少肺體積的手術,以及肺移植來治療COPD。 然而,這些療法療效有限且存在嚴重不良反應[54-55]。 Le 等[56]研究發(fā)現hUCMSCs 的移植顯著改善了COPD 患者的生活質量和臨床狀況,并且結果表明hUCMSCs 的全身給藥相對安全,這可能是由于hUCMSCs 具有較強的免疫調節(jié)能力。 盡管這是一項初步研究,但這些結果為進一步對COPD 患者進行hUCMSCs 的臨床研究提供了重要的參考。

3 小結與展望

從人臍帶分離的hUCMSCs 是目前再生醫(yī)學領域備受矚目的研究熱點,與其他來源的MSCs 相比,它們具有較高的增殖能力、較快的自我更新能力、較低的免疫原性以及更可靠的獲得方式。 雖然目前對MSCs 的功能機制的研究還不夠深入,但其治療的有效性和安全性已在科學研究、臨床前和臨床試驗中得到了初步的驗證。 然而,細胞的移植劑量、遞送途徑、移植時間窗的選擇、注射速率和移植頻率等技術問題依然是臨床試驗中函待解決的問題,尤其由于 hUCMSCs 移植存在血管栓塞、hUCMSCs 傳代過程中遺傳物質改變及潛在致瘤致畸等風險極大等問題限制了其目前的發(fā)展。 此外hUCMSCs 供體的隱性健康問題亦存在很大隱患。因此研究人員不僅需要在移植前進行供體細胞的基因檢測和規(guī)范細胞處理流程,而且還需要長期隨訪監(jiān)控受體患者的健康狀況。 這使hUCMSCs 的大規(guī)模臨床應用面臨更多的挑戰(zhàn),并且未來還需要做大量的工作才能充分揭開hUCMSCs 的面紗。 但隨著細胞規(guī)?；囵B(yǎng)、高通量測序等技術的發(fā)展以及臨床試驗研究體量的增加,相信不久的將來,hUCMSCs 將在轉化醫(yī)學領域帶給我們更多驚喜。