基因工程化間充質干細胞移植治療炎癥性腸病的研究進展

李 寧 金世柱 楊寧寧

炎癥性腸病(IBD)是一類慢性腸道非特異性炎性疾病，包括克羅恩病(CD)和潰瘍性結腸炎(UC)。IBD的病因尚未明確，可能與遺傳易感性、環(huán)境因素及自身免疫等有關[1]。近年來，IBD的發(fā)病率逐年升高，青年患者所占比例也呈上升趨勢。IBD可反復發(fā)作，難以治愈。目前主要的治療方法是控制炎性反應，并調節(jié)機體的免疫功能，對于藥物治療無效且病情較重的患者可能會選擇手術治療[2]。應用氨基水楊酸鹽、糖皮質激素和免疫抑制劑等藥物治療后，大部分IBD患者可獲得暫時性緩解，但長期應用上述藥物會引發(fā)不良反應。藥物不能根治及應用時引起的不良反應不僅給患者帶來了經濟負擔，也嚴重影響了患者的生活質量。手術治療會對患者造成較大的創(chuàng)傷，并可引起多種近期和遠期的并發(fā)癥[3]。近年來，細胞療法在IBD的治療中受到越來越多的關注。間充質干細胞(MSC)可以遷移至腸道炎性反應部位，修復受損組織。但由于MSC的歸巢效率較低，導致其在損傷部位發(fā)揮的修復作用未能達到預期，從而影響了IBD的治療效果。基因工程是指將外源基因通過某種方式導入目的細胞中，使其過表達或沉默某種基因的技術。鑒于MSC應用的局限性，構建基因工程化MSC至關重要。

1 MSC

干細胞可用于治療多種疾病，MSC來源豐富，易于培養(yǎng)，具有自我更新和多向分化的能力，是機體內重要的免疫調節(jié)細胞。MSC在體外擴增后可以產生大量細胞，并且在適當條件下分化為多種細胞表型，如成骨細胞、神經元細胞、腸上皮細胞和肝細胞等[4]。MSC移植作為一種新型的細胞療法，在很多領域表現(xiàn)出了治療潛力，由于MSC在體外環(huán)境中易于擴增和培養(yǎng)，并且具有一定的免疫抑制作用，故已被應用于心血管疾病、自身免疫性疾病、胃腸道疾病等的臨床試驗中[5]。研究表明，MSC可以遷移至腸道損傷部位，通過炎性反應促進受損組織修復，從而在局部抑制病情進展[6]。然而，在應用過程中，發(fā)現(xiàn)外源注射的MSC只有少量到達靶組織，并且其在靶組織中的存留時間短暫，導致移植MSC未能達到預期的治療效果。為解決這一問題，研究者構建了基因工程化MSC，以期進一步提高對IBD的治療效果。

2 基因工程技術

基因工程技術包括物理、化學、生物3種方法，在應用這些方法修飾MSC時，可以簡單描述為非病毒方法和病毒方法。使用各種物理、化學方法對MSC進行修飾為非病毒方法；使用生物方法對MSC進行修飾為病毒方法，主要是指病毒載體的應用，包括慢病毒載體、腺病毒載體等[7]。非病毒方法的優(yōu)勢在于其可以傳遞更大的基因，但主要缺點是轉染效率低，基因表達時間短暫；應用病毒載體可以實現(xiàn)較高的轉染效率，且不影響MSC的干細胞特性，還可根據(jù)所用病毒的類型，實現(xiàn)長期穩(wěn)定的轉基因表達[8]。盡管目前非病毒方法的應用越來越廣泛，但MSC的基因修飾通常還是通過病毒載體實現(xiàn)的。MSC在體內定位、存活、保留等方面存在局限性，使其臨床應用受到限制，基因工程是改善MSC性能的一種常用方法。

3 修飾MSC的基因

MSC可以被多種外源基因修飾，并穩(wěn)定表達這些基因，經過改造的MSC可以分泌抑制細胞凋亡的因子，增強促進血管再生、抗炎、修復等功能，更有利于對IBD的治療[9]。以下主要對部分與IBD損傷和修復相關的基因作一概述。

3.1 細胞間黏附分子-1

細胞間黏附分子-1(ICAM-1)可參與細胞間的信號傳遞，對調節(jié)機體免疫應答有重要作用[10]。研究表明，ICAM-1與MSC密切相關，生理狀態(tài)下，MSC幾乎不表達ICAM-1，而當發(fā)生炎性反應時，MSC可顯著上調ICAM-1的表達。ICAM-1表達上調有助于增強MSC的免疫抑制作用，當ICAM-1基因被阻斷或者被敲除后，MSC的免疫抑制作用被逆轉[11]。研究表明，過表達ICAM-1的MSC可減輕結腸組織的病理損傷，改善IBD小鼠的一般狀況，促進體質量恢復，降低小鼠的病死率；與其他治療組比較，過表達ICAM-1的MSC可顯著減少Th1細胞和Th17細胞的數(shù)量，同時升高Treg細胞所占比例[12]。該研究結果提示，ICAM-1的過表達可增強MSC調節(jié)Th細胞亞群的能力，并可促使MSC向受損組織遷移，在局部減輕炎性反應，從而對IBD起到較好的治療作用。

3.2 IL-25

IL-25可通過減少Th1/Th17相關細胞因子的合成，抑制Th1/Th17細胞的免疫應答，從而減輕多種由自身免疫性疾病誘導的炎性損傷[13]。研究表明，IL-25可抑制IBD CD4+T細胞向Th1/Th17細胞分化，在IBD的受損黏膜中IL-25的表達明顯降低[14]。IL-25誘導的MSC抗炎活性明顯增強，在IBD大鼠腸道炎性反應的減輕及組織學修復過程中具有重要意義。IL-25誘導的MSC在結腸炎大鼠中抑制Th17細胞分化的能力增強，同時使T細胞的數(shù)量顯著增加[15]。此外，IL-25誘導的MSC還可以促進腸上皮細胞的增殖和遷移[16]。以上結果提示，IL-25主要通過抑制Th17細胞分化、上調Treg細胞表達幫助MSC緩解IBD癥狀，同時增強了MSC誘導腸上皮再生的能力。因此，IL-25可能成為輔助MSC治療IBD的新療法。

3.3 IL-35

IL-35是一種免疫抑制性細胞因子，已被應用于多種慢性炎性反應和免疫相關性疾病的潛在治療[17]。IL-35主要由Treg細胞產生，其免疫抑制功能不僅表現(xiàn)為抑制Th17細胞分化，還包括促進Treg細胞擴增，擴增的Treg細胞又可以分泌IL-35，從而增強了它的免疫抑制作用[18]。IL-35在IBD中具有抗炎活性，有研究表明，IL-35主要通過抑制T細胞增殖和Th17細胞分化等多種機制發(fā)揮抗炎作用[19]。IL-35可使Th1/Th17相關轉錄因子的基因表達降低，發(fā)揮抗炎活性，減輕IBD患者的結腸損傷[18]。為了探討IL-35在治療IBD中的潛在作用，MSC是IL-35的理想載體，IL-35-MSC可通過下調促炎性細胞因子的表達來改善IBD癥狀。研究表明，IL-35-MSC可增加Treg細胞數(shù)量，Treg細胞可阻止病理性免疫反應進展，并可以產生抗炎性細胞因子，傳遞抗炎信號[20]。因此，IL-35的過表達可能成為IBD治療的新靶點。

3.4 IL-37b

IL-37與炎性反應密切相關。與健康受試者比較，IL-37在IBD患者血清中的表達水平較低，而在病變組織中的表達水平明顯升高，且與病變組織的嚴重程度呈正比[21]。該結果表明IL-37可能對炎性反應起負反饋調節(jié)作用，并參與了疾病的整個進展過程；而IBD患者血清中IL-37的表達水平降低可能是由于其在腸道損傷組織中消耗過多所致。IL-37b是IL-37的主要活性形式，具有較強的免疫抑制作用，IL-37b基因修飾的MSC可以明顯減輕IBD的病情嚴重程度[22]。這可能是IL-37b通過促進Treg細胞增殖來實現(xiàn)的，并且IL-37b可上調抗炎因子IL-2的表達，還可下調促炎因子干擾素-γ(IFN-γ)的表達[23-24]。因此，IL-37b基因的過表達有望成為促進MSC治療作用的新途徑。

3.5 CXC趨化因子受體4

基質細胞衍生因子-1(SDF-1)是促進干細胞歸巢至受損組織的重要因素之一，它可以與CXC趨化因子受體4(CXCR4)相互作用，與干細胞的遷移和組織定位的過程相關。CXCR4是SDF-1的受體，位于MSC的表面[25]。MSC經CXCR4基因修飾后不影響其生物學活性及細胞活力，而可以增強其遷移能力，使更多的MSC聚集于受損部位，即可增強其歸巢性[26]。研究表明，過表達CXCR4的MSC可下調IBD小鼠的促炎因子表達，降低腫瘤負荷[27]。該結果提示，過表達CXCR4的MSC具有有效的抗腫瘤作用，這可能是因為CXCR4增強了MSC向腸道受損部位聚集的能力。此外，CXCR4的過表達既不會影響MSC的分化能力，也不會增強其增殖能力，而是會增強MSC對SDF-1的趨化性[27]。綜上所述，SDF-1/CXCR4通路可能對MSC的歸巢和存活起關鍵性作用，CXCR4的過表達在促進MSC歸巢至損傷部位方面具有一定的應用前景。

4 總結

近年來，隨著中國經濟水平的提高，IBD的患病率也呈升高趨勢，因其具有難以治愈的特點，給患者帶來了身體和精神上的痛苦。為了解決這一難題，研究人員提出應用基因工程化MSC治療IBD。將外源基因通過病毒轉染等方式導入MSC中，可以在提高其治療效果的同時不改變MSC的生物學表型。基因工程化MSC主要通過增強MSC的遷移能力，增加其歸巢至損傷部位的數(shù)量，促進腸上皮細胞的增殖和遷移，抑制Th1細胞和Th17細胞分化并促進Treg細胞擴增，下調促炎性細胞因子的表達，上調抗炎性細胞因子的表達等機制治療IBD。基因工程化MSC治療方案的提出為今后臨床治療IBD提供了新的希望，但其應用于人體的安全性仍有待于進一步研究。