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间充质干细胞的来源及临床应用

更新时间:2022-11-17      点击次数:1163
  Friedenstein 于 1976 年发现,间充质干细胞 (MSC) 是遍布全身的成体干细胞,具有一组固定的特征。这种细胞来源最初是在骨髓中发现的,被认为是临床研究的黄金标准,尽管此后已经确定了各种其他来源——包括脂肪组织、牙髓、动员的外周血和出生组织。来自不同来源的 MSCs 具有不同的特征和优缺点,包括它们的分化潜能和增殖能力。这些特性决定了MSCs的不同用途。因此,它们可适用于再生医学和组织工程领域中特定临床应用。这篇评今天说说不同来源的间充质干细胞的用途。
 
  01根据分化潜能和来源进行区分
 
  1.干细胞根据分化潜能和来源进行区分
 
  干细胞可以根据它们在人体内的分化潜能和来源进行区分。胚胎干细胞是全能的,因为它们可以形成胚胎和胚胎外结构。此外,胚胎干细胞可以在特定培养条件下无限增殖,并保留分化为三种胚胎胚层细胞类型的能力。相反,成体干细胞是从成人个体获得的未分化的多能干细胞,并分化成构成其各自来源组织的细胞类型。例如,源自神经元组织的细胞可以分化为神经元、少突胶质细胞或星形胶质细胞。这种有限的分化潜能是间充质干细胞 (MSCs) 的一个属性,它是具有自我更新能力的非特化细胞。
 
  MSCs 是具有一定分化潜能的贴壁细胞,可分化成源自外胚层和内胚层的细胞。此外,它们可以放弃其未特化或未分化状态并转变为其他间充质谱系。因此,它们可以再生骨骼、软骨和脂肪,甚至在生理和实验条件下成为内皮细胞、肌肉细胞或神经元。虽然有证据表明 MSC 存在于几乎所有人体组织中,但它们最开始是从骨髓 (BM) 衍生的单核细胞中分离出来的。
 
  由于 MSC 负责由生理或病理原因引起的组织修复、生长、伤口愈合和细胞替代,因此它们具有各种治疗应用,例如治疗脊髓损伤等中枢神经系统疾病。此外,由于其分化能力,MSCs 已成为再生医学研究的最重要的模型。
 
  为了全面概述 MSCs 可能的临床应用,首先有必要了解它们的特性,包括它们在各种人体系统和组织中的分化潜力、活性和治疗效果。
 
  2.分化潜能
 
  MSCs 可以分化成不同的细胞类型,尽管它们需要一系列分化因子。在体外环境中,特定的生长培养基使它们能够达到其成骨、成软骨或成脂的潜力。然而,由于不同的分离和培养技术,关于用于定义 MSCs 的具体特征的数据存在冲突。由于这些细胞几乎可以从任何组织中分离出来,因此有人提出,来自不同来源的 MSC 可能不够相似,无法归类为单一分类。然而,在建立普遍接受的实验室标准允许识别常见的 MSC 特征之后,这个问题已经得到解决。
 
  根据国际细胞治疗学会的规定,多能 MSC 必须满足以下三个标准:塑料对培养瓶的粘附性;CD105、CD73 和 CD90 的表达以及 CD45、CD34、CD14/CD11b、CD79α/CD19 和人类白细胞抗原 (HLA) II 类的表达缺失≥95% 和≤2% 的细胞群; 以及分化成成骨细胞、成软骨细胞或脂肪细胞的能力。此外,在特定的培养条件下,MSCs 可以分化为非中胚层谱系,如肝细胞、神经元、胰腺细胞、心肌细胞或星形胶质细胞。
 
  

 
  02
 
  
 
  来源和临床应用
 
  01  骨髓
 
  干细胞可以从人体内的各种来源中分离出来,理想情况下应该根据其组织来源、应用范围和体外培养特性进行选择。目前,MSCs的主要来源是BM和脂肪组织(AT)。6虽然 MSCs 可以假设从人体内几乎任何组织中获得,但在获取过程的难度,各种供体特征方面存在实际限制。为了选择合适的细胞来源,从业者必须考虑获取样品的难度以及收获细胞对供体的潜在不利影响。例如,获得BM-MSC可能会导致疼痛、出血或感染,因此从该来源收获MSC比从外周血或手术残余物(如 脂肪组织或胎盘/脐带组织)中收获细胞更成问题。
 
  BM-MSCs 最初由 Friedenstein 于 1976 年发现,1987 年被描述为未分化的 MSCs。随后,BM成为多能干细胞的主要来源。然而,他们的采购需要一个高度侵入性和痛苦的过程,涉及大量使用麻醉剂;此外,细胞产量、寿命和分化潜力随着供体年龄的增长而降低。与其他来源的 MSCs 相比,BM-MSCs 的复制期更长,衰老更早,仅占有核骨髓细胞的 0.01-0.001%。然而,BM-MSCs 相对于其他细胞类型的一个优势是它们相对较短的培养时间。
 
  在临床背景下,已尝试使用 BM-MSCs 来缓解心力衰竭、解决心肌细胞损失以改善心脏功能和预防终末期心力衰竭。尽管人类和动物模型的临床试验很有希望,但对 10 项使用 BM 衍生细胞的大规模随机二期试验的荟萃分析显示,急性心肌梗死后的益处可以忽略不计。在临床前和临床研究中,静脉内、冠状动脉内或心肌内途径是心肌梗死后数分钟至数月内细胞递送的主要选择。然而,不同的操作方案阻碍了对临床前和临床试验结果的准确解释。Forest等人。在使用不同给药途径的猪模型中,将细胞保留和植入与体内成像进行了比较。在冠状动脉内注射,安全和简单的输送方法,一小时后在心脏中检测到 34.8 ± 9.9% 的细胞;这一比例在 24 小时后急剧下降至 6.0 ± 1.7%。关于 BM 细胞疗法对心脏功能的益处的不一致结果可能是由于细胞存活、植入和分化的差异导致的。
 
  目前,正在进行几项临床试验以确定 BM-MSCs 的有用性,特别是在缺血性心力衰竭的情况下。舒张性左心室 (LV) 功能障碍是急性心肌梗塞后的常见并发症,是心力衰竭发展的主要危险因素,与保留的左室射血分数无关。舍费尔等人。对 60 例 ST 段抬高型急性心肌梗死患者进行 BM-MSC 移植治疗的随访研究。相对于对照组,实验BM-MSC组的舒张功能和E/A比值的时间趋势保持不变,其中E/A比值在60个月的过程中下降。然而,实验组注意到的改善持续时间不超过五年。重要的是,在用 BM-MSC 治疗心肌梗塞时,没有观察到致心律失常或致瘤作用。
 
  在同种异体(即造血)干细胞移植中,移植物抗宿主病(GVHD)——其中免疫活性供体细胞识别并攻击免疫受损宿主的组织——是发病率和死亡率的重要原因。传统管理需要使用皮质类固醇进行免疫抑制作为一线治疗,这种治疗可以在<40-50% 的 GVHD 患者中产生持续反应。然而,皮质类固醇难治性患者需要有效的二线和三线治疗方案。当从主要组织相容性复合体匹配的供体(即母亲或双胞胎)获得时,BM-MSC的同种异体移植可以在受体中诱导免疫抑制,从而用于治疗GVHD。这种效应最初是在小鼠模型中评估的,其中 MSCs 抑制幼稚和记忆抗原特异性 T 细胞。BM-MSCs 也被用于治疗系统性红斑狼疮(SLE)、多发性硬化症 (MS)、自身免疫性脑脊髓炎、哮喘、过敏性鼻炎和肺纤维化。除了 SLE 和 MS,这些应用都已经在动物模型中进行了测试。越来越多的证据表明 BM-MSCs 在调节炎症中的关键作用,目前进行的临床试验正在测试 GVDH 患者中使用 BM-MSCs 的有效性和安全性。
 
  在消化系统中,BM-MSCs可以改善乙型肝炎感染引起的肝硬化和肝功能衰竭,根据慢性肝病分期和预后量表有积极的变化。BM-MSC 的其他重要应用是骨科。例如,来自髂嵴的 BM 抽吸物已被用于治疗性骨干不愈合,从而导致骨痂形成。将 BM-MSCs 放置在支架上已被证明可再生兔的半月板组织,而放置在导管或移植物上的 BM-MSCs 已被用于治疗神经缺损,其效果优于去细胞移植物。此外,BM-MSCs 已被移植到各种受伤的肌腱部位,从而增强了组织修复,特别是对于髌腱的损伤。
 
  BM-MSCs 的另一个重要应用是治疗脊髓损伤。当与米诺环素混合时,BM-MSCs 可改善大鼠模型中的脊髓损伤。因此,这些细胞可能代表了一种很有前途的脊髓损伤后神经保护方法。BM-MSCs 也被用于治疗小鼠模型中的成骨不全症,其中将来自无病小鼠的 BM-MSCs 注入受影响的小鼠体内。这种治疗促进了迁移的细胞分化为骨细胞并合成了标准量的 I 型胶原蛋白,部分恢复了疾病表型。其他 BM-MSC 应用身体缺陷和肩袖损伤。
 
  02
 
  脂肪组织
 
  使用 AT 作为 MSC 来源的主要优点是方便,因为人体皮下 AT 通常遍布全身,是美容和治疗性吸脂手术的副产品。据估计,从 AT 获得的大约 98-100% 的细胞是可行的。AT-MSCs 的形态、表型和功能特征与 BM-MSCs 相似。除了在长期细胞培养中的稳定性外,AT-MSC 还可以在体外有效扩增并具有较高的多向分化潜能。基质血管 AT 部分比单核 BM 部分产生更多的基质成分,即使这些基质成分可能代表其他谱系,例如内皮细胞、造血细胞和周环起源。因此,AT 代表了比 BM 更实用的组织工程 MSCs 自体来源。然而,AT-MSCs 的一个限制是某些供体特征,例如年龄,可以影响 AT-MSCs 的扩增和分化,特别是成骨和软骨形成谱系,尽管脂肪形成谱系不受影响。
 
  除了分化和自我更新的能力外,AT-MSCs 还分泌多种具有抗炎、抗凋亡和免疫调节特性的细胞因子和生长因子。例子包括血管内皮生长因子、肝细胞生长因子和胰岛素样生长因子,所有这些都参与血管生成和组织修复。这些特征使 AT-MSCs 成为治疗缺血性疾病的主要候选者。此外,由于人类 AT-MSCs 的免疫调节作用,AT 是用于异基因移植的 MSCs 的来源,并且由于 AT-MSCs 不表达主要的组织相容性复合物 II 型抗原,因此将排斥风险降低。AT-MSCs通过促进抑制性T细胞的诱导和抑制细胞毒性T细胞、自然杀伤细胞和促炎细胞因子(包括肿瘤坏死因子-α、干扰素-γ和白细胞介素IL-12的产生来调节T细胞的功能)。此外,这些细胞分泌可溶性因子,如 IL-10、转化生长因子-β 和前列腺素 E2,使这些细胞具有免疫抑制作用。
 
  03
 
  牙髓
 
  牙髓 (DP) 衍生的 MSC 专门用于产生牙本质的成牙本质细胞。这些细胞取自第三磨牙的牙髓组织,并通过酶促消化过程提取。总体而言,DP-MSCs 易于冷冻保存,并且与 AT-MSCs 类似,具有免疫调节特性。由于 DP-MSCs 来源于神经嵴,它们具有外胚层起源以及外胚层和间充质谱系。因此,除了分化成骨/成软骨细胞和脂肪细胞外,DP-MSCs 还可以分化成神经元谱系。当在三维 (3D) 牙本质支架中培养时,DP-MSC 可以分化为角膜上皮细胞、黑素细胞和诱导多能干细胞,使其在再生医学研究中非常有用。
 
  这种干细胞来源最有希望的临床应用包括代谢疾病的纠正和高死亡率的肝脏疾病的治疗,如肝硬化和肝细胞癌。随着时间的推移,DP-MSC 已成为肝移植期间收获干细胞的替代方法。DP-MSCs 也已用于骨再生领域。当 DP-MSCs 在水凝胶上培养时,它们可以自发分化成牙源性和成骨表型。
 
  一种特定类型的 DP-MSCs,称为根尖周囊肿 (PCy)-MSCs,因其广泛的增殖潜力、细胞表面标志物谱和分化成各种细胞类型(如成骨细胞、脂肪细胞和神经元)的能力而受到特别关注。重要的是,这些细胞很容易从手术切除的 PCys 中收集,从而允许生物废物的再利用。它们还被用于骨再生领域。由于它们的神经可塑性,这些细胞代表了治疗神经退行性疾病的有趣选择。
 
  04
 
  出生组织
 
  目前,脐带血 (UCB) 并未被普遍接受为 MSCs 的来源。然而,大量 UCB、供体的可用性、易于采购和样本收集的可靠性以及疱疹病毒科病毒不传播是这种特殊细胞来源的优势。此外,由于 UCB-MSC 不如其他类型的成体干细胞成熟,它们不会在同种异体受体中引发强烈的免疫排斥反应,从而耐受 HLA 的错配。UCB-MSC 可以大量冷冻保存以供以后培养和研究。这些细胞的倍增时间与BM-MSCs 相似(即每30 小时一次)。总体而言,UCB-MSCs 具有成骨、成软骨、成脂和成肌分化潜能。在人类中,UCB-MSCs 的静脉内给药已成功用于治疗 GVHD 和 SLE。此外,UCB-MSC 已被植入用于治疗坐骨神经缺损,并在挤压后和横断动物模型中取得了良好的效果。
 
  最近,沃顿胶 (WJ) 作为 MSCs 的潜在来源引起了人们的关注。WJ-MSCs 的特性不同于其他来源的特性,WJ-MSCs 表现出更高的增殖潜力,不受培养条件的影响。然而,当在血清存在下培养时,这些细胞产生的细胞外基质成分少于 BM-MSC 和 AT-MSC。在临床应用方面,WJ-MSCs 已被证明在治疗心肌梗死方面是有益和安全的,对梗死面积和左室功能有积极影响。7在一项研究中,将人类 WJ-MSC 置于 3D 支架上,该支架位于从人类关节软骨细胞培养物中获得的条件培养基中。WJ-MSCs 在不需要生长因子的情况下经历了软骨形成分化,具有高度的糖胺聚糖积累和软骨相关基因的表达。这些观察结果表明,WJ-MSCs 可能是再生关节软骨的良好选择。
 
  05
 
  羊水和胎盘
 
  根据免疫表型分析,从羊水 (AF) 中获得的培养细胞的表型与 BM-MSCs 相似。从该来源获得的培养细胞可以分化为间充质谱系。AF 和羊膜来源的MSCs 的扩增相似,细胞计数没有显着差异,尽管后者的生长速度较慢,产量低于 BM-MSCs。58个AF-MSCs表现出高自我更新能力(>300个细胞分裂)和36小时的倍增时间。此外,它们已被证明即使在后期传代时也能保持正常的核型。有趣的是,AF-MSCs 表达八聚体结合转录因子 4 (Oct-4) 和阶段特异性胚胎抗原 4 (SSEA-4) 人类胚胎干细胞标志物,这是未分化胚胎干细胞的典型特征;这意味着 AF-MSC 不是原始胚胎干细胞,但比大多数成体干细胞保持更大的分化潜能。
 
  除了常见的中胚层谱系外,AF-MSCs 还可以在特定培养条件下分化成肝细胞和神经元。虽然尚未报道使用 AF-MSC 进行人体研究,但一些动物模型已经研究了各种临床应用,包括使用分化为肌肉细胞的 AF-MSC 形成膀胱、治疗神经损伤、血管和心脏瓣膜的形成以及再生隔膜、肾脏、骨骼、肺、心脏和软骨。与 UCB-MSCs 一样,AF-MSCs 也已成功植入坐骨神经缺损和挤压后和横断动物模型中。
 
  羊膜的基底膜含有源自囊胚内细胞团的MSC。除了不表达 HLA II 类外,人羊膜来源的 MSCs 还具有免疫抑制因子。胎盘的其他部分,如基底蜕膜和顶叶蜕膜,也含有 MSC;在培养时,这些细胞表现出与羊膜来源的MSC相似的特征。胎盘衍生的 MSCs (P-MSCs) 还表达胚胎干细胞标志物,如 c-Kit、性别决定区 Y-box 2、Oct-4 和 SSEA-4,并能够分化为间充质细胞以及肝细胞、胰腺细胞和胰腺细胞。神经元谱系。在动物模型中,P-MSCs 已被证明可改善肺功能并减少肺纤维化,并已用于治疗皮肤和眼部疾病。有趣的是,这些细胞还被用于在胶原支架内制造人造羊膜。P-MSCs 在动物模型中的其他临床应用包括心脏组织的形成和博莱霉素引起的肺损伤、软骨缺损、炎症性肠病、杜氏肌营养不良、缺血性中风、炎症和 DM 的治疗。P-MSCs 的主要好处之一是它们可以在分娩后轻松获得,而无需特定程序;它们在增殖和可塑性方面也具有明显的优势。
 
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