間充質干細胞生物學特性的可塑性研究進展

發布時間：2021-04-27所屬分類：醫學論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：間充質干細胞(MSC)同時具有造血支持、免疫調節、組織修復再生和歸巢等特性，但由于各種因素常常不能充分發揮其效能。近期研究顯示，MSC的生物學特性具有可塑性。研究人員通過對MSC進行低氧預處理、生物活性分子預處理、基因修飾預處理和力學刺激預處理

　　摘要：間充質干細胞(MSC)同時具有造血支持、免疫調節、組織修復再生和歸巢等特性，但由于各種因素常常不能充分發揮其效能。近期研究顯示，MSC的生物學特性具有可塑性。研究人員通過對MSC進行低氧預處理、生物活性分子預處理、基因修飾預處理和力學刺激預處理以及調整MSC的移植策略，使其生物效能增強，該方向對于推動MSC的轉化應用具有重要意義。基于此，本文就MSC生物學特性的可塑性研究最新進展作一綜述。

　　關鍵詞：間充質干細胞;生物學特性;可塑性;預處理

　　間充質干細胞(mesenchymalstemcell,MSC)是一類在特定條件下能夠向軟骨組織、骨組織、肌肉、肌腱、韌帶、脂肪等多種類型組織細胞分化的多潛能干細胞[1]。MSC最早發現于骨髓[2]，隨后在臍帶、臍血、胎盤、脂肪、肌肉、牙周質、骨和軟骨等組織中均有發現[3-5]。MSC可通過歸巢、分泌一系列細胞因子和生長因子以及分泌外泌體等多種形式來發揮造血支持，免疫調節和組織修復再生等生物學功能[6]，目前，已經被各科學研究領域廣泛關注并展示出良好的轉化應用潛力。但是MSC類細胞制品仍然存在一些問題，例如體外培養的MSC在受者體內存活率低，移植的MSC歸巢數量較少，不能充分發揮MSC的再生修復和免疫調節功能等。為了克服這些不足，優化MSC的研究和應用，相關領域研究人員深入探索多種調控MSC生物學特性的方法，結果發現，MSC的生物學特性在一定范圍內具有可塑性。更有意義的是，不同的調控策略產生效果亦有差別。目前，該領域的研究進展較快。本文著重對MSC生物學特性的調控，使其效能增強的常用策略進行了綜述，希望可以有助于全面辯證認識MSC的生物學特性，更好地開展MSC相關的基礎研究和轉化應用。

　　低氧預處理

　　MSC的功能不是一成不變的，MSC所處微環境中氧分壓的改變會引起其生物學特性改變，這通常體現在MSC組織修復再生能力。Ho等[7]研究表明，對MSC進行低氧預處理，可以提高MSC的成骨分化，并且可通過穩定缺氧誘導因子-1α(hypoxia-induciblefactor-1α，HIF-1α)信號的表達，促進血管內皮生長因子的分泌，來啟動血管生成，從而對骨缺損進行修復。Han等[8]利用裸鼠皮下脂肪移植模型，將低氧預處理的脂肪間充質干細胞(adipose-derivedmesenchymalstemcells,ADMSC)外泌體分離并注射入移植部位，結果顯示，與未處理組相比，預處理組的脂肪組織毛細血管網形成明顯增強，存活率更高。

　　除了促血管形成，低氧預處理還能同時增加MSC免疫抑制能力。Liu等[9]研究發現，低氧預處理可抑制骨髓間充質干細胞(bonemarrowmesenchymalstemcells，BMSC)分泌腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、轉化生長因子-β1(TGF-β1)和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)，并促進BMSC分泌抗炎細胞因子和血管內皮生長因子，同時發揮免疫抑制和修復再生能力。

　　近年來，研究人員發現低氧預處理也會影響MSC的靶向遷移能力。氯化鈷(CoCl2)是經典的化學低氧模擬劑，可模擬常規氧氣狀態下細胞缺氧狀態。在大鼠急性脊髓損傷模型中，經模擬低氧預處理的BMSC能通過HIF-1α的介導促進趨化因子受體4(CXCR4)在細胞表面表達,從而促進BMSC向損傷區域遷移、歸巢和定植;同時，BMSC的代謝發生適應性改變，對有害性刺激產生較強適應抵抗能力，存活率提高[10]。這有可能為臨床上進行間充質干細胞移植治療時提高其存活率和歸巢能力提供了一個新的方法。另外，Meng等[11]的體外實驗結果進一步表明，低氧預處理的MSC可通過HIF-1α/CXCR4途徑促進MSC歸巢，該作用受LincRNA-p21調控，該發現也為增強MSC的歸巢能力提供了一種新策略。

　　生物活性分子預處理

　　紅細胞生成素(erythropoietin,EPO)是一種主要由成人腎臟成纖維樣細胞分泌的糖蛋白激素，以往的研究表明，其具有促進紅細胞生成的功能。有意義的是，王迪生等[12]實驗結果表明，EPO可以促進ADMSC向腎損傷部位定向趨化,并且經EPO預處理的ADMSC較單純的ADMSC能夠更好地抑制腎小管上皮細胞轉分化，減輕細胞外的基質沉積，延緩腎纖維化作用，該發現為MSC更高效的應用于臨床提供了新思路。此外，邊素艷等[13]探究了EPO對MSC外泌體的影響，結果發現，EPO可促進MSC釋放更多數量的外泌體，且這些外泌體具有更強的促血管新生能力。有趣的是，H2O2預處理與EPO預處理有著相似的作用，H2O2預處理ADMSC也能釋放更多的外泌體并且同樣具有更強的促血管再生能力[14]。

　　除此之外，細胞因子預處理還能夠影響MSC的免疫調節能力。馬聰等[15]發現，TGF-β1預處理MSC可增加MSC來源細胞外囊泡(MSC-EV)的數量，且升高囊泡內白介素-6(IL-6)濃度，下調TGFβ1濃度，同時會促進外周血單個核細胞凋亡，這說明，TGF-β1預處理MSC能夠在一定程度上提高MSC-EV的免疫抑制能力。Kim等[16]在研究MSC治療移植物抗宿主病時，發現同時注射干擾素γ(IFN-γ)可增強MSC的免疫抑制能力，明顯改善小鼠移植物抗宿主病癥狀，并進一步證明，IFN-γ預處理的MSC可通過JAK/STAT1信號通路誘導IDO表達，進而抑制T細胞免疫活性。

　　基因修飾預處理

　　外源基因修飾是一種增強MSC活性，提高MSC治療效果的常見策略。Hu等[17]研究表明，用攜帶PGC1α慢病毒載體感染MSC，并將修飾過的MSC用于大鼠模型治療，發現可以減輕大鼠脊髓損傷模型中神經元的凋亡，并增強軸突再生的潛力。Xiang等[18]的研究結果顯示，GREM1基因過表達可增加毛細血管密度，提高缺血環境中移植MSC的存活率，并且增強血管生成，促進損傷部位修復再生。另外，方玲等[19]在MSC外泌體的研究中發現，miR-486基因修飾臍帶間充質干細胞(UC-MSC)后，其分泌的外泌體中miR-486表達顯著增高，該外泌體對心肌細胞有促增殖、促遷移及抑制心肌細胞凋亡的作用。

　　MSC表面的CXCR4是介導MSC歸巢的重要受體。陳偉等[20]利用慢病毒載體修飾使小鼠BMSC過表達CXCR4基因，并在小鼠清髓性照射后注射過表達CXCR4的BMSC，結果顯示，在脾臟和骨髓中歸巢的MSC數量明顯增加，這證明CXCR4基因過表達可增強MSC歸巢能力。

　　另外，在造血支持方面，顧潔等[21]將BMSC的Tet2基因敲除(Tet2-/-BMSC)后發現，其增殖和造血支持能力明顯增強，Tet2-/-BMSC能夠分泌更多的趨化因子配體5(CCL5)、GM-CSF、基質細胞衍生因子(SDF1)和CCL3來調控造血。

　　力學刺激預處理

　　體外應用機械應力干預細胞的研究早有報道，近年來，一些學者采用各種力學裝置，模擬體內環境，對MSC進行力學干預，結果發現對其增殖及分化能力有一定的影響。Zhang等[22]實驗結果顯示，在沖擊波處理的MSC中，S期細胞數量增加，G0/G1期阻滯細胞數減少，這表明，發散式沖擊波可增強MSC的自我更新能力;此外，發散式沖擊波促進MSC成骨分化，但抑制成脂活性;最重要的是，經發散式沖擊波預處理的MSC在體內對軟骨缺損表現出更強再生效果。Ouyang等[23]也證明了將MSC與軟骨細胞共培養，并給予適當的機械干預，可促進軟骨細胞擴增，改善軟骨細胞表型，這有利于修復關節軟骨缺損。

　　除了對增殖和分化能力的影響，體外沖擊波預處理MSC也會對其免疫調節能力產生作用。Chen等[24]在研究改善大鼠腦死亡所致的機體損傷中發現，體外沖擊波治療和ADMSC移植治療均可以減輕大鼠腦死亡所致的機體炎癥反應，氧化應激和細胞凋亡，更重要的是，體外沖擊波預處理ADMSC聯合治療效果比兩者單獨治療效果更佳。

　　調整移植策略

　　某些情況下，直接注射的MSC在低氧、炎癥、高氧化應激的條件下會很快凋亡和死亡，而生物材料可以支持細胞保持其活力并增強治療效果，因此，MSC和生物材料的聯合移植能夠提高MSC的植入率，以提升MSC的療效。Falanga等[25]報道，纖維蛋白噴霧劑作為MSC植入的載體可加速小鼠和人體皮膚傷口的愈合。該藥物經美國食品藥品監督管理局批準，已在基礎和臨床試驗中得到廣泛應用。隨著組織工程學的快速發展，石永新等[26]發現，3D打印技術制備的聚磷酸鈣/淫羊藿苷復合骨支架可促進BMSC向受損部位遷移，促進其成骨分化，同時可募集神經生長因子，增強其成骨細胞活性和成骨能力，進而促進骨缺損的修復。除此之外，利用磁性納米顆粒標記MSC可以在體內監視其遷移、增殖、活性、凋亡等情況，同時能夠促進MSC的成骨分化和體內骨再生[27]。

　　結語

　　MSC可通過歸巢、分泌一系列細胞因子、生長因子以及外泌體等發揮免疫調節、造血支持和組織再生修復等能力。目前，已有大量研究表明，各種預處理方式和移植時支架材料合理應用可以增強MSC的生物學特性，但大多數實驗僅有現象，需要研究人員對其內在機制進行深入研究，為優化MSC的臨床應用策略提供明確的依據。另外，目前多數實驗為體外實驗或動物實驗，尚不能明確這些效應在人體中是否同樣有效，具體影響和作用機制仍有待進一步的臨床試驗研究。——論文作者：李佩霖，朱恒*

　　相關期刊推薦：《中國實驗血液學雜志》報道血液學基礎研究和臨床應用研究論文，包括實驗血液學，分子血液學，臨床血液學，腫瘤血液學，免疫血液學，移植血液學，輸血學，止血與栓塞，血液病新藥和新診療措施等。主要欄目設置有：“論著”，“研究報告”和“綜述”三大欄目。血液學領域的中高級科技人員為本刊主要撰稿群和讀者群。