間充質(zhì)干細(xì)胞修復(fù)放射性皮膚潰瘍機制研究進(jìn)展

關(guān)亞琳 孔豫蘇 汪顯耀 劉忠山

放射療法是治療惡性腫瘤的一種基本方式，輻射引起的皮膚黏膜潰瘍是腫瘤放射療法的常見并發(fā)癥。放射性潰瘍是皮膚軟組織在放射性作用下造成的潰瘍，放射性作用于皮膚黏膜及深部組織，潰瘍周圍新生肉芽組織及血管網(wǎng)形成困難，其特征是長期反復(fù)發(fā)作、劇烈疼痛和具有癌癥發(fā)展傾向。現(xiàn)階段對放射性潰瘍的治療多為綜合性的，包括創(chuàng)面的換藥療法、對原發(fā)疾病的治療、對癥治療等，外科手術(shù)仍為不可或缺的方式，最直接有效的辦法就是植皮或皮瓣修復(fù)。皮瓣移植需要創(chuàng)面基底血運豐富、肉芽組織生長良好，并在無感染的條件下才能進(jìn)行，存在移植皮片、皮瓣壞死的風(fēng)險，因此尋找一種新型有效的治療方案迫在眉睫。間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSC)是一類中胚層來源的具有自我更新、多向分化潛能、低免疫原性和免疫調(diào)節(jié)性的細(xì)胞，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展和細(xì)胞治療領(lǐng)域的持續(xù)深入，MSC被認(rèn)為是多種疾病研究的“種子細(xì)胞”，在再生醫(yī)學(xué)和組織工程中有著廣泛的應(yīng)用前景，干細(xì)胞療法作為新型的治療方案被日益關(guān)注。MSC的生物學(xué)特征及其在創(chuàng)面治療領(lǐng)域的研究，為放射性潰瘍創(chuàng)面的治療提供了新思路，其在皮膚修復(fù)和再生過程中扮演重要角色。現(xiàn)就MSC通過直接分化、旁分泌、細(xì)胞間相互作用、與機體微環(huán)境相互作用、免疫抑制及免疫調(diào)節(jié)、外泌體等方面修復(fù)放射性潰瘍的可能機制作一綜述。

1 放射性潰瘍的發(fā)生機理及難愈機制

皮膚作為直接與外界接觸的器官，具有屏障、吸收、免疫調(diào)節(jié)、代謝等多種功能。近年來，放射性潰瘍的患者逐漸增多，約占難愈性創(chuàng)面的8.4%。放射性皮膚損傷多于放射治療后2～3周出現(xiàn)，治療結(jié)束后1～2個月仍可持續(xù)，其損傷嚴(yán)重程度主要與放射總劑量、治療時間、射線類型及受累面積有關(guān)。放射性潰瘍的形成主要是在惡性腫瘤的放射療法中由X線、γ射線及β射線一次大量放射或小劑量多次反復(fù)放射所致，是一種因創(chuàng)面的血管損傷以及成纖維細(xì)胞功能障礙形成的一種復(fù)合型損傷。

1.1 放射性潰瘍的發(fā)生機理 高速的帶電粒子及X射線、γ射線等均可引起電離輻射。輻射可以引起上皮細(xì)胞凋亡、大量氧化損傷和纖維細(xì)胞因子的釋放。電離輻射可以通過能量傳遞直接作用于細(xì)胞，或產(chǎn)生自由基間接作用于生物分子,導(dǎo)致DNA損傷、細(xì)胞蛋白變性等。當(dāng)放射性物質(zhì)損傷皮膚后，會使皮膚細(xì)胞的功能發(fā)生障礙、血管的管腔狹窄或閉塞、潰瘍組織缺血壞死，炎癥反應(yīng)被抑制，造成細(xì)胞增殖和合成物質(zhì)不足、成纖維細(xì)胞及新生肉芽組織減少, 使?jié)兙哂袧撛谛院筒豢赡娴倪M(jìn)展性。

1.2 放射性潰瘍的難愈機制 創(chuàng)面修復(fù)是一個復(fù)雜而有序的生物學(xué)過程，主要經(jīng)過炎癥期、增殖期、組織重構(gòu)3個階段。創(chuàng)面的愈合需要各階段相互配合，大劑量的射線會使皮膚的壞死細(xì)胞及凋亡細(xì)胞增多，使修復(fù)細(xì)胞數(shù)量減少和功能發(fā)生障礙。而放射性潰瘍和一般的燒傷、切割傷等損傷不同，它是由于功能干細(xì)胞障礙和缺失，內(nèi)皮細(xì)胞以及表皮細(xì)胞發(fā)生變化，多種因子參與失調(diào)的復(fù)雜過程，放射線在使內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生改變的同時，也影響了細(xì)胞間的聯(lián)系，使愈合階段配合失調(diào)。其次，電離輻射會破壞DNA螺旋支柱的化學(xué)鍵，使DNA發(fā)生單鏈或者雙鏈的斷裂，且電離輻射會使化學(xué)鍵受到破壞，產(chǎn)生與 DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)有高度結(jié)合活性的活性氧(reactive oxygen species,ROS)，破壞DNA的修復(fù)機制，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和修復(fù)過程紊亂。而電離輻射誘導(dǎo)氧化應(yīng)激導(dǎo)致ROS產(chǎn)生，會直接損傷DNA。Wang等研究認(rèn)為放射性潰瘍的發(fā)生與持續(xù)性DNA損傷灶和細(xì)胞衰老有關(guān)，功能失調(diào)的衰老細(xì)胞在組織中集聚，以及干細(xì)胞增殖能力降低，是導(dǎo)致長期并發(fā)癥的原因。潰瘍創(chuàng)面感染、細(xì)菌超負(fù)荷以及細(xì)菌生物膜的形成導(dǎo)致附近組織修復(fù)再生能力減弱，進(jìn)而加劇潰瘍的發(fā)展。

2 MSC的來源及特性

干細(xì)胞是一類來源豐富，廣泛存在于骨髓、脂肪、臍帶血等組織，具有自我更新能力及多向分化潛能的細(xì)胞,是組織工程種子細(xì)胞的主要來源。MSC是中胚層來源的一種異質(zhì)細(xì)胞群，在體內(nèi)分布廣泛，具有免疫抑制、免疫調(diào)節(jié)及分泌多種生長因子等功能，廣泛應(yīng)用于難愈性創(chuàng)面修復(fù)的研究中。MSC具有一定的抗輻射性，具備電離輻射后對抗放射線使干細(xì)胞耗竭的能力，并能保留其干細(xì)胞特性。MSC在高輻射劑量下仍能保持其干性，潛在機制可能包括有效的DNA損傷識別和修復(fù)、輻射誘導(dǎo)的促生存通路的激活，從而避免細(xì)胞凋亡。

MSC被認(rèn)為是修復(fù)放射性皮膚潰瘍創(chuàng)面的新希望。Zheng等研究表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)可以降低轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)和前列腺素E(prostaglandin E2,PGE)的表達(dá)及增加基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)的表達(dá)，減少局部炎癥反應(yīng)并在炎癥反應(yīng)初期參與纖維化，促進(jìn)纖維連接蛋白、上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運來修復(fù)創(chuàng)面。在創(chuàng)面修復(fù)過程中，BMSCs可以促進(jìn)成纖維細(xì)胞產(chǎn)生SDF-1，從而促進(jìn)BMSCs向損傷部位遷移。Smith等認(rèn)為MSC通過旁分泌方式調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞促進(jìn)創(chuàng)面愈合，并使瘢痕生成減少。Xiao等研究發(fā)現(xiàn)人胎兒皮膚源性干細(xì)胞在治療大鼠放射性皮膚損傷方面具有很強的創(chuàng)面愈合能力。此外，Osama等研究認(rèn)為MSC已用于減少和修復(fù)輻射引起的正常組織損傷；Shen等發(fā)現(xiàn)MSC中的CXC趨化因子受體2(CXC chemokine receptor 2，CXCR2)可加速潰瘍愈合。Liu等研究發(fā)現(xiàn)人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells，Huc-MSCs)對放射性皮膚潰瘍創(chuàng)面的修復(fù)有顯著效果，Huc-MSCs可促進(jìn)相關(guān)角蛋白的生長及再上皮化，并推測Huc-MSCs對放射性皮膚潰瘍創(chuàng)面的修復(fù)是通過分泌相應(yīng)生長因子激活PI3K/Akt信號通路實現(xiàn)的。Schmidt等認(rèn)為MSC可促進(jìn)再生因子釋放，達(dá)到修復(fù)放射性口腔潰瘍的目的。MSC通過改變組織微環(huán)境的能力可能比它們的直接分化起到的作用更顯著。

3 MSC修復(fù)放射性潰瘍的機制

MSC修復(fù)放射性潰瘍的機制目前尚未完全明確，現(xiàn)階段認(rèn)為主要通過直接分化、旁分泌、細(xì)胞間相互作用、與機體微環(huán)境相互作用、免疫抑制及免疫調(diào)節(jié)、外泌體等機制進(jìn)行。

3.1 直接分化作用 MSC是一類具有多項分化潛能的細(xì)胞，當(dāng)皮膚受損時，供體MSC可發(fā)揮多向分化潛能，直接分化為表皮細(xì)胞、毛囊細(xì)胞、血管內(nèi)皮等多種皮膚細(xì)胞修復(fù)創(chuàng)面，使皮膚和毛囊組織得以再生，可向結(jié)締組織遷移分化，最后發(fā)展為成纖維細(xì)胞。

3.2 旁分泌作用 MSC應(yīng)用于皮膚創(chuàng)面后，可分泌生長因子、粒細(xì)胞集落刺激因子(colony-stimulating factor，G-CSF)等細(xì)胞因子吸引和趨化修復(fù)細(xì)胞向創(chuàng)面遷移，啟動修復(fù)，增加難愈性創(chuàng)面中的成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞等修復(fù)細(xì)胞的數(shù)量。有研究發(fā)現(xiàn)，脂肪干細(xì)胞(adipose-derived stem cells，ADSCs)可間接通過旁分泌胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors，IGF)、TGF-β1、血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)和堿性成纖維細(xì)胞生長因子-2(basic fibroblast growth factor-2,bFGF-2)等多種生長因子和抗炎細(xì)胞因子，刺激血管形成，激活皮膚的角質(zhì)形成細(xì)胞和成纖維細(xì)胞生成，促進(jìn)創(chuàng)面愈合。

3.3 細(xì)胞間的相互作用 注入機體的MSC可促進(jìn)潰瘍創(chuàng)面處表皮干細(xì)胞增殖、分化。當(dāng)皮膚基底層完整時，基底層表皮干細(xì)胞逐漸自下而上脫離壁龕，通過自我增殖分化進(jìn)行創(chuàng)面修復(fù)。當(dāng)皮膚基底層破壞嚴(yán)重時，創(chuàng)面邊緣附屬器內(nèi)的表皮干細(xì)胞向傷口分化、增殖、遷移。MSC促進(jìn)潰瘍創(chuàng)面產(chǎn)生成纖維細(xì)胞，成纖維細(xì)胞可作為誘導(dǎo)劑,誘導(dǎo)MSC向上皮細(xì)胞分化。

3.4 創(chuàng)面微環(huán)境與MSC之間相互影響 MSC可通過直接或間接分泌細(xì)胞因子、生長因子和其他旁分泌分子進(jìn)而影響不同種類的組織損傷再生。創(chuàng)面局部微環(huán)境與MSC相互作用后，MSC在創(chuàng)面微環(huán)境的影響下直接分泌細(xì)胞外基質(zhì)或直接分化為成纖維細(xì)胞參與組織修復(fù)，機體內(nèi)I型膠原基因表達(dá)升高。創(chuàng)面微環(huán)境可影響MSC的分化方向，MSC也可分泌多種細(xì)胞因子改變機體及創(chuàng)面的微環(huán)境。MSC修復(fù)放射性潰瘍是由MSC和機體微環(huán)境共同決定的。

3.5 免疫調(diào)節(jié)和免疫抑制作用 當(dāng)潰瘍創(chuàng)面形成后，免疫系統(tǒng)活化產(chǎn)生多種炎性因子貫穿于創(chuàng)面修復(fù)的整個過程。但過于強烈的炎性反應(yīng)不利于創(chuàng)面修復(fù)，MSC可以通過免疫調(diào)節(jié)和免疫抑制作用使創(chuàng)面的炎性反應(yīng)減弱。Lauren等研究表明MSC可以通過旁分泌的作用減少T細(xì)胞增殖，并可分泌多種因子阻止細(xì)胞毒性T 細(xì)胞增殖和B淋巴細(xì)胞分化為漿細(xì)胞，阻礙樹突狀細(xì)胞的分化、發(fā)育、成熟和功能。Diane等發(fā)現(xiàn)MSC可以刺激皮膚病變部位的血管化，從而增加氧氣供應(yīng)，幫助免疫細(xì)胞的募集。為輻照小鼠系統(tǒng)性注入MSC治療時，MSC可發(fā)揮出巨大的免疫調(diào)節(jié)特性，減少CD80激活巨噬細(xì)胞,降低CD163巨噬細(xì)胞在皮膚水平的表達(dá)，降低白細(xì)胞介素-10和促炎白細(xì)胞介素1β的水平。Franquesa等認(rèn)為MSC具有強大的免疫調(diào)節(jié)特性,通過影響免疫細(xì)胞的增殖分化與免疫系統(tǒng)相互作用。Lee等認(rèn)為MSC除了抑制T細(xì)胞和單核細(xì)胞的聚集，其還涉及誘導(dǎo)多種調(diào)節(jié)性免疫細(xì)胞參與免疫體調(diào)節(jié)，例如調(diào)節(jié)性T細(xì)胞、調(diào)節(jié)性B細(xì)胞、調(diào)節(jié)性NK細(xì)胞和抗原呈遞細(xì)胞等。

3.6 外泌體修復(fù)作用 外泌體是細(xì)胞分泌的一種具有轉(zhuǎn)運功能的囊泡，是細(xì)胞與細(xì)胞間傳遞信息、交換物質(zhì)的重要媒介。MSC可通過外泌體對創(chuàng)面的炎性反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，促進(jìn)創(chuàng)面的血管再生、皮膚細(xì)胞增殖和再上皮化、膠原重塑和減少瘢痕的生成，從而達(dá)到對創(chuàng)面的修復(fù)目的。

放射性皮膚潰瘍屬于難治程度較高的一種創(chuàng)面，采用MSC上清液、上清液凍干粉或直接稀釋的干細(xì)胞，通過局部涂抹、注射或靜脈輸注等方法，對放射性動物潰瘍模型均有較好的治療效果，但其具體機制仍需進(jìn)一步證實。供體MSC移植后存活率降低，其治療潛能難以得到充分發(fā)揮，如何通過基因修飾等處理方式提高M(jìn)SC移植后的存活率及治療能力，可能是下一步的研究方向。