吉林中科：干細胞技術(shù)，一個潛在的創(chuàng)傷治療手段

什么是干細胞？干細胞在急診創(chuàng)傷治療中到底扮演一個什么樣的角色？ 干細胞是一種多功能細胞，能夠再生人體的各種組織，因此在創(chuàng)傷治療中有一定的臨床潛力，特別是在骨折愈合、軟骨愈合及創(chuàng)傷后炎癥等方面。 1 干細胞的生物學(xué) 身體里的再生細胞可以根據(jù)能力來進行分類，其中再生能力最強是全能型的胚泡細胞，然后是多功能干細胞、祖細胞和前體細胞（如下圖所示），這些細胞具有內(nèi)在的再生能力，當(dāng)然這里面也有與創(chuàng)傷相關(guān)的特殊干細胞。干細胞是未分化的細胞，從三個原始生殖層（內(nèi)胚層、中胚層和外胚層）發(fā)展而來，具有自我更新和分化為各類成熟細胞的能力。干細胞是在全身的某個局部微環(huán)境中被發(fā)現(xiàn)的，在這個環(huán)境中干細胞處于未分化的休眠狀態(tài)。在干細胞和鄰近細胞之間存在多種分子機制控制著其分化和自我保護。這里主要介紹與創(chuàng)傷修復(fù)相關(guān)性的4種細胞：間質(zhì)干細胞（MSC），造血干細胞（HSC），脂肪干細胞（ADSC）和內(nèi)皮祖細胞（EPC）。其中MSC和HSC大部分主要存在于骨髓內(nèi)，EPC位于內(nèi)皮細胞，而ADSC存儲于脂肪組織。值得注意的是，目前有新技術(shù)可以將收獲的體細胞轉(zhuǎn)化為誘導(dǎo)多能干細胞（iPSC）并獲得潛在的再生能力。 間質(zhì)干細胞（MSC）是一種多功能的干細胞，可以在中胚層內(nèi)分化成任何非造血細胞，如成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞和骨髓細胞。它們的特征是細胞表面攜帶標(biāo)志物CD105、CD73和CD90。MSC可以在多個部位采集，包括肌肉、脂肪組織、骨髓和自體臍帶中，現(xiàn)有技術(shù)可以在體外進行篩選、培養(yǎng)和增殖以供在機體移植時使用。MSC是臨床試驗中研究最多的一類干細胞，骨髓間質(zhì)干細胞由于缺乏MHC II類分子和協(xié)同刺激分子使得它們免疫原性削弱，與多功能胚胎干細胞相比它們也不會導(dǎo)致畸胎瘤的形成，這些性質(zhì)使得它們在自體和異體的臨床應(yīng)用中更有吸引力。 造血干細胞（HSC）能夠分化成為粒細胞或淋巴細胞，這些細胞的特征是表面攜帶標(biāo)志物CD34、CD45、CD133和Thy1，它們能從骨髓及外周血中獲得，可在惡性腫瘤如白血病細胞、淋巴瘤和骨髓衰竭等同種異體移植中應(yīng)用。 脂肪干細胞（ADSC）由脂肪組織中獲得，與骨髓來源的間質(zhì)干細胞功能相似，這些細胞的特征是表面攜帶標(biāo)志物CD90、CD73和CD44。 內(nèi)皮祖細胞（EPC）具有血管生成的潛力，它們存在于外周循環(huán)中，表面攜帶標(biāo)志物CD34，F(xiàn)lk-1和Tie-2。 2 創(chuàng)傷對干細胞的影響 創(chuàng)傷導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)性破壞，使組織灌注受損，并誘發(fā)炎癥反應(yīng)。干細胞對創(chuàng)傷的生理反應(yīng)包括從它們的休眠狀態(tài)中蘇醒，從它們的原始居住場所中動員并向受傷的部位遷移，最后分化產(chǎn)生治療所需的特定細胞。此外，病理性的炎性反應(yīng)不僅會導(dǎo)致干細胞的功能失調(diào)，同時會使干細胞的數(shù)量減少，最終將導(dǎo)致組織再生失敗或其他不良預(yù)后。 在創(chuàng)傷后MSC與HSC的遷移已被許多趨化作用闡明。其中一種信號途徑就是下圖所示的基質(zhì)衍生因子1/特異性趨化因子受體4（SDF-1/CXCR4）軸。這條信號軸解釋了干細胞在局部停留及向受傷部位遷移的過程。CXCR4是骨髓間質(zhì)干細胞的一種受體，它能結(jié)合SDF-1。SDF-1是一種由骨髓內(nèi)皮細胞和基質(zhì)細胞表達的蛋白質(zhì)，繼受傷后，SDF-1在組織損傷的部位產(chǎn)生，其濃度高于骨髓，從而促進骨髓中MSC向受傷部位轉(zhuǎn)移。SDF-1的表達受缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）和一氧化氮（NO）調(diào)控。在正常生理情況下，骨髓中的SDF-1濃度有利于保留骨髓間質(zhì)干細胞。這在動物骨折和心肌損傷模型中已被證實， CXCR4 受體的上調(diào)也使得間質(zhì)干細胞向SDF-1遷移得到進一步加強。 3 干細胞在創(chuàng)傷愈合中的作用 骨折會引起骨髓內(nèi)MSC的增生，骨折后會引起在骨髓和骨膜內(nèi)的常駐干細胞遷移至損傷部位。在骨折部位需要有一定數(shù)量的干細胞進行修復(fù)，同時骨萎縮也被證實與骨折部位缺乏MSC有關(guān)。 充足的血供是干細胞遷移并存活的必要條件。Atesok, K等發(fā)現(xiàn)在小鼠骨折后進行純化的EPC注射，有利于血管增生及更快的骨折愈合：在骨折部位EPC的血管生成效應(yīng)與增加的親血管生成因子hVEGF、hFGF2和hHGF 44的局部水平相關(guān)；同時還發(fā)現(xiàn)MSC的遷移與增加的小鼠骨痂體積和強度有關(guān)聯(lián)。MSC約在EPC使用后第14天出現(xiàn)在骨折部位。這些治療效果與MSC遷移后局部BMP-21（骨形態(tài)生成蛋白）的表達有關(guān)。 干細胞已被證明能對機械刺激產(chǎn)生反應(yīng)。體外研究已經(jīng)證實了干細胞對以下刺激有反應(yīng)，如牽拉、壓迫、剪切、震蕩、超聲波等。在拉伸、壓迫和超聲波等刺激下，干細胞可表現(xiàn)出成骨分化。相反地，Dai等人發(fā)現(xiàn)，對小鼠的MSC進行反重力作用的試驗可抑制其成骨分化。有研究表明在體外試驗時，低強度脈沖超聲波可促進MSC的成骨轉(zhuǎn)化。 4 干細胞在軟骨愈合中的作用 干細胞的功能與關(guān)節(jié)軟骨損傷的恢復(fù)以及創(chuàng)傷后骨關(guān)節(jié)炎有關(guān)。在損傷的發(fā)生后，關(guān)節(jié)軟骨中的MSC會分化成纖維細胞，而不是軟骨細胞。創(chuàng)傷時關(guān)節(jié)組織纖維化的情況更少，由此表明創(chuàng)傷可引起干細胞分化的變化，并與創(chuàng)傷后骨性關(guān)節(jié)炎息息相關(guān)。 通過干細胞在關(guān)節(jié)內(nèi)注射能改善創(chuàng)傷引起的軟骨缺損。半月板組織再生增加，伴有骨關(guān)節(jié)炎患者的疼痛評分得到改善，且沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的不良反應(yīng)。 使用MSC的治療方法有望能夠改善骨關(guān)節(jié)炎和創(chuàng)傷后的軟骨缺損。目前研究的重點是確定最佳的MSC來源、如何在植入前進行體外改造及更安全地使用。關(guān)于骨關(guān)節(jié)炎治療的已有多篇文獻得出肯定的結(jié)論，只不過在臨床應(yīng)用前仍需要進行更多的研究。雖然MSC在骨關(guān)節(jié)炎和創(chuàng)傷后關(guān)節(jié)炎的治療目的都是重新生成透明軟骨，但這兩種病理的微環(huán)境各不相同，目前還不清楚對于骨關(guān)節(jié)炎的治療方法是否也同樣能有效地治療創(chuàng)傷后關(guān)節(jié)炎。 5 干細胞在血管生成中的作用 對于創(chuàng)傷修復(fù)來說，恢復(fù)良好的血供是治療的關(guān)鍵。創(chuàng)傷可導(dǎo)致急性和遲發(fā)性的毛細血管損傷，包括直接傷害、血管閉塞或因外科手術(shù)治療創(chuàng)傷時所造成的醫(yī)源性損傷。在受傷后，干細胞對血管生成有直接和間接的影響。一些研究表明，EPC遷移到受傷的部位后直接參與了新生血管的形成。其他的研究也已經(jīng)證實EPC通過生長因子、細胞因子的調(diào)節(jié)促進新生血管生成。MSC和ADSC也有促進血管生成的類似作用。這些干細胞的血管生成功能最終有助于改善骨折的愈合、毛細血管再生、傷口的康復(fù)及減少炎癥并發(fā)癥。 6 干細胞在外傷后炎癥反應(yīng)中的應(yīng)用 干細胞具有免疫調(diào)節(jié)功能，MSC可以轉(zhuǎn)化為促炎癥和抗炎細胞，它主要依賴于在創(chuàng)傷后炎癥反應(yīng)中分泌的介質(zhì)如Toll樣受體(TLR)。TLR是一種表面受體，它能結(jié)合病原體分子和損傷相關(guān)模式分子 (一類由創(chuàng)傷后細胞破壞釋放的內(nèi)源性產(chǎn)物，包括線粒體DNA(mtDNA)，高機動性的編組框-1蛋白質(zhì)和S100蛋白質(zhì)等，具有激活免疫細胞的能力)，在調(diào)控炎癥反應(yīng)中起著重要的作用。 創(chuàng)傷后引起的中性粒細胞和巨噬細胞激活會對干細胞造成損傷。在機體受傷后，中性粒細胞和干細胞一起遷移到受傷的部位，但它們遷移到創(chuàng)傷部位的時間點不同。中性粒細胞被激活后會釋放活性氧，無意中損害了周圍的細胞包括干細胞。如果損傷足夠嚴(yán)重，中性粒細胞的激活狀態(tài)持續(xù)存在(尤其是在細胞凋亡之后)，那么干細胞就可能會被破壞。 嚴(yán)重的創(chuàng)傷后會導(dǎo)致骨髓衰竭，創(chuàng)傷后高炎癥反應(yīng)狀態(tài)和G-CSF（粒細胞集落刺激因子）濃度升高將導(dǎo)致骨髓干細胞造血功能受損，并容易引發(fā)感染。在動物實驗中發(fā)現(xiàn)通過MSC治療能逆轉(zhuǎn)骨髓損傷。 7 研究現(xiàn)狀及未來的展望 目前，在國外盡管臨床試驗注冊中心進行了大量的1、2和3期臨床試驗，但仍然缺乏公開的臨床試驗。關(guān)于干細胞治療在骨折愈合方面的研究，從文獻檢索中獲得的最高水平是2個二級的研究以及大量的動物研究和基礎(chǔ)研究。盡管干細胞療法在通過組織再生和免疫調(diào)節(jié)治療創(chuàng)傷后，對改善患者預(yù)后有很大的幫助，但目前的文獻顯示結(jié)果還是不一致的。在干細胞治療臨床應(yīng)用之前，還需要克服許多困難。在動物模型和臨床試驗中仍需要進一步的研究來描述干細胞在組織修復(fù)上的作用機制。此外，這些潛在的治療方法是否會導(dǎo)致功能改善和副作用也有待觀察。

上一篇：吉林中科：三分鐘看懂干細胞治療糖尿病原理

下一篇：吉林中科：干細胞抗衰老的適宜人群和治療后效果