水凝膠負(fù)載間充質(zhì)干細(xì)胞應(yīng)用于女性生殖系統(tǒng)疾病的研究進(jìn)展

都君彥 楊 超 麻 莉

女性生殖系統(tǒng)的完整性和功能的正常對(duì)于女性健康及繁衍至關(guān)重要。環(huán)境(輻射、毒物、污染等)、疾病(腫瘤、炎癥、創(chuàng)傷等)及治療方法(手術(shù)、放療、化療等)等因素可導(dǎo)致生殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受損或功能障礙,嚴(yán)重影響女性的生殖健康,甚至喪失生育能力。干細(xì)胞與生物材料作為再生醫(yī)學(xué)與組織工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),為女性生殖系統(tǒng)疾病的臨床治療開(kāi)拓了新的思路。間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells, MSCs)是成體干細(xì)胞的一種,主要存在于骨髓、臍帶、脂肪等組織中,其來(lái)源豐富、在體外容易分離獲得并易于擴(kuò)增,免疫原性低,不存在倫理爭(zhēng)議等問(wèn)題,是再生醫(yī)學(xué)的理想種子細(xì)胞[1～3]。MSCs可通過(guò)多種機(jī)制修復(fù)受損組織,改善生殖器官功能,恢復(fù)生育能力[4,5]。水凝膠作為一種新興的功能高分子生物材料,通過(guò)模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)作為結(jié)構(gòu)模板,為細(xì)胞黏附、遷移、增殖分化以及生長(zhǎng)維持提供三維環(huán)境,同時(shí)也可以作為細(xì)胞載體,為移植的細(xì)胞更好地發(fā)揮治療作用提供保障[6]。本文將水凝膠負(fù)載MSCs在幾種常見(jiàn)女性生殖系統(tǒng)疾病應(yīng)用中的研究進(jìn)展做一綜述。

一、水凝膠的種類

水凝膠是由凝膠單體通過(guò)化學(xué)或物理交聯(lián)的方式形成的具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水性聚合物。水凝膠具有類軟組織結(jié)構(gòu)、含水量高、生物可降解性及生物相容性等特性,被廣泛用作細(xì)胞、生長(zhǎng)因子等的傳遞載體。

根據(jù)材料來(lái)源不同,水凝膠分為天然高分子水凝膠和合成水凝膠。

1.天然高分子水凝膠:天然高分子水凝膠主要由瓊脂糖、殼聚糖、膠原蛋白、明膠、透明質(zhì)酸、纖維蛋白等聚合物制得,具有生物組織相容性良好、可降解,易于細(xì)胞黏附和遷移,以及制備成本低等優(yōu)勢(shì)[7,8]。這些聚合物已被證實(shí)可提供適宜的微環(huán)境,用于制備生物支架,在體內(nèi)發(fā)揮重要的生物學(xué)功能。但由天然高分子材料制備的水凝膠也存在結(jié)構(gòu)性能難以控制、機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較弱、潛在的免疫原性、外源性成分干擾細(xì)胞行為等缺點(diǎn),因此其應(yīng)用也受到了不同程度的限制[9]。

2.合成水凝膠:合成水凝膠主要由聚乙二醇、聚氧乙烯及聚丙烯酰胺等合成,制備過(guò)程中可以通過(guò)改變合成條件,如聚合物濃度、對(duì)嵌段結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度,以及生物降解性等進(jìn)行調(diào)整使其適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境[10]。此外,合成水凝膠可以大批量生產(chǎn),已成為制備支架材料的重要選擇[11]。但此類水凝膠存在可能使用有害的交聯(lián)劑、缺乏適當(dāng)?shù)目山到庑?、降解產(chǎn)物對(duì)機(jī)體造成不良影響等問(wèn)題,還需要進(jìn)一步研究來(lái)解決。

二、水凝膠負(fù)載MSCs在女性生殖系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀

MSCs具有自我更新和高度增殖潛能,以及免疫調(diào)節(jié)、旁分泌等特性,可歸巢至組織損傷部位,向多種組織細(xì)胞分化,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于組織修復(fù)和再生領(lǐng)域。水凝膠作為理想的細(xì)胞輸送載體,通過(guò)模擬細(xì)胞微環(huán)境改善干細(xì)胞的治療效果。水凝膠可作為生物活性支架、促進(jìn)干細(xì)胞的體外培養(yǎng)和分化、為移植的干細(xì)胞提供微環(huán)境,進(jìn)而提高M(jìn)SCs對(duì)女性生殖系統(tǒng)損傷的修復(fù)效果。

1.在子宮內(nèi)膜損傷中的應(yīng)用:子宮內(nèi)膜是子宮腔表面的上皮層,通過(guò)分泌細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子為胚胎植入提供最佳環(huán)境,在胚胎植入和妊娠維持中發(fā)揮著重要作用。炎癥和機(jī)械損傷常導(dǎo)致子宮內(nèi)膜再生中斷、纖維瘢痕形成、纖維化,宮腔粘連(intrauterine adhesion, IUA),從而發(fā)生月經(jīng)減少,盆腔疼痛,甚至不孕和妊娠異常。因此,子宮內(nèi)膜的修復(fù)和再生對(duì)于子宮發(fā)揮正常功能至關(guān)重要。 近年來(lái),細(xì)胞療法成為子宮內(nèi)膜修復(fù)和再生的優(yōu)先選擇。Yang等[12]利用水凝膠負(fù)載骨髓基質(zhì)細(xì)胞(bone marrow stromal cells, BMSCs)同時(shí)添加維生素C應(yīng)用于IUA機(jī)械損傷模型大鼠,結(jié)果顯示,維生素C聯(lián)合BMSCs促進(jìn)了受損子宮內(nèi)膜腺體的再生、纖維化區(qū)域的減少。Liu等[13]利用透明質(zhì)酸凝膠/MSC-Sec治療模式創(chuàng)造了一個(gè)持續(xù)釋放系統(tǒng),修復(fù)IUA模型大鼠的子宮內(nèi)膜,恢復(fù)其生育力。負(fù)載人臍帶MSCs的膠原支架(collagen scaffold/ umbilical cord mesenchymal stem cells, CS/UC-MSCs),維持了正常的腔內(nèi)結(jié)構(gòu),通過(guò)旁分泌作用促進(jìn)子宮內(nèi)膜細(xì)胞增殖和上皮細(xì)胞恢復(fù),增強(qiáng)了雌激素受體α和孕酮受體的表達(dá)。結(jié)果表明,CS/UC-MSCs促進(jìn)子宮內(nèi)膜結(jié)構(gòu)重建和功能恢復(fù)。經(jīng)宮頸粘連切除術(shù)后局部應(yīng)用CS/UC-MSCs可防止粘連再次發(fā)生,促進(jìn)子宮內(nèi)膜再生,改善重度IUA患者的妊娠結(jié)局[14]。Ji等[15]利用3D打印技術(shù)將人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的MSCs(human induced pluripotent stem cell derived mesenchymal stem cells,hiMSCs)與水凝膠支架結(jié)合后用于子宮內(nèi)膜損傷模型的修復(fù),結(jié)果顯示,3D打印的水凝膠支架為hiMSCs提供了一個(gè)體外生存環(huán)境,不僅促進(jìn)了子宮內(nèi)膜組織形態(tài)學(xué)的恢復(fù),子宮內(nèi)膜細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的再生,還在一定程度上恢復(fù)了受損子宮內(nèi)膜胚胎著床和妊娠維持的功能。

2.在卵巢早衰中的應(yīng)用:卵巢早衰(premature ovarian failure, POF)是目前造成女性患者不孕的重要因素之一,其主要特點(diǎn)是卵巢激素分泌功能失調(diào)、閉經(jīng),以及不能正常排卵。目前常規(guī)的臨床治療手段難以恢復(fù)卵巢的正常功能。

針對(duì)年輕女性生殖系統(tǒng)惡性腫瘤患者的化療和放療會(huì)對(duì)卵巢結(jié)構(gòu)和功能造成不良影響,甚至導(dǎo)致不孕等問(wèn)題,近年來(lái)卵巢組織自體移植被認(rèn)為是維持存活患者生育能力最有前途的方法[16]。然而,移植卵巢組織的缺血-再灌注損傷是卵巢移植的主要限制之一,由于卵巢組織移植后未能及時(shí)建立有效血運(yùn)從而導(dǎo)致缺血缺氧,隨后發(fā)生細(xì)胞凋亡和炎性反應(yīng),最終導(dǎo)致移植卵巢卵泡數(shù)量明顯減少。因此,如何促進(jìn)移植后有效血運(yùn)的建立以及盡可能保留多的原始卵泡是卵巢移植成功的關(guān)鍵。對(duì)此科學(xué)家進(jìn)行了多種嘗試。Tavana等[17]利用透明質(zhì)酸水凝膠封裝小鼠卵巢組織進(jìn)行自體移植,結(jié)果表明,透明質(zhì)酸水凝膠用于卵巢移植可預(yù)防或減少缺血誘導(dǎo)的卵泡損失,并促進(jìn)血管生成和激素水平恢復(fù)。Gao等[18]利用纖維蛋白水凝膠封裝小鼠卵巢組織進(jìn)行皮下異位移植,同時(shí)添加了成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子,結(jié)果表明,該方法對(duì)卵泡的生存、血管生成和發(fā)情周期的恢復(fù)均產(chǎn)生了有益影響。Mehdinia等[19]對(duì)比了纖維蛋白-膠原水凝膠負(fù)載兩種不同來(lái)源MSCs(小鼠骨髓和腹膜來(lái)源)對(duì)小鼠自體卵巢移植的影響,結(jié)果表明,兩者均能促進(jìn)移植后小鼠發(fā)情周期和內(nèi)分泌功能的恢復(fù),效果并無(wú)明顯差異。對(duì)于無(wú)法進(jìn)行自體卵巢移植的患者,研究者利用海藻酸鹽水凝膠作為人工卵巢的基質(zhì),促進(jìn)其封裝的卵泡的發(fā)育和成熟,作為該患者未來(lái)生育力恢復(fù)的可供選擇[20]。

負(fù)載人臍帶MSCs的膠原支架(CS/UC-MSCs)移植于POF小鼠,結(jié)果顯示,CS/UC-MSCs移植促進(jìn)顆粒細(xì)胞增殖,促進(jìn)卵巢血管生成,促進(jìn)雌激素(E2)和抗苗勒氏管激素水平增加、卵巢體積增大,卵泡發(fā)育明顯改善,竇卵泡數(shù)量增加,保持了卵巢功能。這提示CS/UC-MSCs移植有可能成為一種治療POF的新型有效策略[21]。此外,CS/UC-MSCs可以通過(guò)磷酸化FOXO3a和FOXO1在體外激活原始卵泡。POF患者在移植CS/UC-MSCs或UC-MSCs后獲得了成功的臨床妊娠[22]。

3.在盆腔臟器脫垂中的應(yīng)用:盆腔器官脫垂(pelvic organ prolapse, POP)是指由于年齡、懷孕、生產(chǎn)等因素造成子宮、腸管、膀胱等脫出于陰道內(nèi)或陰道口外,造成行走不便,或尿失禁、排尿延遲、排便困難,以及性交障礙等。目前,針對(duì)POP的治療主要是使用網(wǎng)片加固盆底的支持力,而非修復(fù)盆底受損缺失的組織。然而網(wǎng)片的植入會(huì)導(dǎo)致移植物侵蝕、暴露和感染、陰道攣縮、異物反應(yīng)、炎癥、尿潴留、尿失禁等并發(fā)癥,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。水凝膠在治療中因其創(chuàng)傷小、感染輕、恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn),在盆底功能障礙性疾病的治療中具有廣泛前景[23]。有研究發(fā)現(xiàn),人子宮內(nèi)膜MSCs與明膠包被的聚酰胺網(wǎng)片在大鼠皮膚創(chuàng)傷模型中發(fā)揮了抗炎反應(yīng)、促進(jìn)膠原的形成和重構(gòu)以及新生組織形成,為POP的治療提供了可能性。MSCs可促進(jìn)新的膠原蛋白合成,分化為平滑肌細(xì)胞,促進(jìn)膠原蛋白的表達(dá),修復(fù)受損的組織結(jié)構(gòu)。有研究顯示,經(jīng)陰道插入未包被的針織聚酰胺網(wǎng)片,并應(yīng)用明膠水凝膠負(fù)載自體MSCs到網(wǎng)片上,然后用藍(lán)光交聯(lián),集成良好,很少折疊,且沒(méi)有網(wǎng)片暴露,可促進(jìn)脫垂陰道組織的強(qiáng)度恢復(fù)。通過(guò)細(xì)胞膜熒光探針(1,1-dioctadecyl-3,3,3,3-tetramethylindotricarbocyaineiodide, DIR)染色可見(jiàn) MSCs散在分布于陰道壁的固有層及肌層。此外,有研究發(fā)現(xiàn)釋放雌二醇的聚乳酸網(wǎng)狀物可促進(jìn)脂肪來(lái)源MSCs產(chǎn)生更多的Ⅰ型膠原、Ⅲ型膠原及細(xì)胞外基質(zhì),用于修復(fù)女性盆底組織結(jié)構(gòu),并促進(jìn)修復(fù)材料植入后的愈合。

三、水凝膠負(fù)載MSCs治療生殖系統(tǒng)疾病的優(yōu)勢(shì)

水凝膠負(fù)載MSCs治療在生殖系統(tǒng)疾病中取得了良好的效果,其優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面:(1)水凝膠具有高彈性、高透氣性、無(wú)毒以及良好力學(xué)性能的優(yōu)勢(shì),可作為理想的MSCs輸送載體,負(fù)載MSCs到達(dá)受損組織,高效到達(dá)靶器官。(2)水凝膠為MSCs提供三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持,有利于MSCs的遷移、增殖和分化。(3)水凝膠可緩慢釋放MSCs分泌的多種生物活性因子,維持MSCs的活性及生物功能。(4)水凝膠負(fù)載間充質(zhì)干細(xì)胞移植顯著提高了MSCs的促血管生成能力。(5)外源性MSCs與內(nèi)源性干細(xì)胞相互作用,聯(lián)合修復(fù)受損組織功能。

四、展 望

盡管水凝膠和MSCs相結(jié)合在女性生殖系統(tǒng)的修復(fù)中取得了令人振奮的結(jié)果,但仍有以下問(wèn)題亟待解決:(1)干細(xì)胞治療的安全性問(wèn)題:MSCs可以促進(jìn)受損組織的修復(fù),但目前仍面臨移植過(guò)程中細(xì)胞的損失,移植后的低保留率和存活率、MSCs干性的維持和分化的調(diào)節(jié),以及遠(yuǎn)期治療效果的不確定性等。目前仍然沒(méi)有明確傳遞途徑、輸注方法,以及用于產(chǎn)生功能的細(xì)胞數(shù)量的指南。(2)水凝膠相關(guān)問(wèn)題:水凝膠作為一種外源性物質(zhì),引入體內(nèi)可能會(huì)引起異物反應(yīng),并對(duì)機(jī)體有一定毒性。有研究表明,水凝膠表面由于異物反應(yīng)引起的纖維過(guò)度生長(zhǎng)影響MSCs與周圍微環(huán)境之間的氧、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝物的交換。水凝膠的性能還有待于進(jìn)一步提升,研發(fā)新的聚合方法,使水凝膠的性能更加穩(wěn)定,更好地應(yīng)用于細(xì)胞的培養(yǎng)和移植。同時(shí)不斷優(yōu)化水凝膠的機(jī)械性能和生物相容性,使其促進(jìn)細(xì)胞達(dá)到更好的治療效果。此外,將兩種或多種類型的水凝膠交聯(lián)后使用可進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),能更好地應(yīng)用于細(xì)胞移植。因此,生產(chǎn)安全穩(wěn)定、低異物反應(yīng)性和高生物相容性的環(huán)保型水凝膠至關(guān)重要。

綜上所述,在未來(lái)組織工程的研究中,仍需不斷優(yōu)化生物支架材料和干細(xì)胞的治療,實(shí)現(xiàn)其在體內(nèi)的可監(jiān)測(cè)性及可控性。同時(shí),對(duì)于靶組織器官的結(jié)構(gòu)、功能、損傷方式、損傷機(jī)制及損傷后分子水平的改變也有待于進(jìn)行深入研究,以利于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化和個(gè)性化治療。