间充质干细胞生物学特性的可塑性研究进展

发布时间：2021-04-27所属分类：医学论文浏览：1次

摘 要： 摘要：间充质干细胞(MSC)同时具有造血支持、免疫调节、组织修复再生和归巢等特性，但由于各种因素常常不能充分发挥其效能。近期研究显示，MSC的生物学特性具有可塑性。研究人员通过对MSC进行低氧预处理、生物活性分子预处理、基因修饰预处理和力学刺激预处理

　　摘要：间充质干细胞(MSC)同时具有造血支持、免疫调节、组织修复再生和归巢等特性，但由于各种因素常常不能充分发挥其效能。近期研究显示，MSC的生物学特性具有可塑性。研究人员通过对MSC进行低氧预处理、生物活性分子预处理、基因修饰预处理和力学刺激预处理以及调整MSC的移植策略，使其生物效能增强，该方向对于推动MSC的转化应用具有重要意义。基于此，本文就MSC生物学特性的可塑性研究最新进展作一综述。

　　关键词：间充质干细胞;生物学特性;可塑性;预处理

　　间充质干细胞(mesenchymalstemcell,MSC)是一类在特定条件下能够向软骨组织、骨组织、肌肉、肌腱、韧带、脂肪等多种类型组织细胞分化的多潜能干细胞[1]。MSC最早发现于骨髓[2]，随后在脐带、脐血、胎盘、脂肪、肌肉、牙周质、骨和软骨等组织中均有发现[3-5]。MSC可通过归巢、分泌一系列细胞因子和生长因子以及分泌外泌体等多种形式来发挥造血支持，免疫调节和组织修复再生等生物学功能[6]，目前，已经被各科学研究领域广泛关注并展示出良好的转化应用潜力。但是MSC类细胞制品仍然存在一些问题，例如体外培养的MSC在受者体内存活率低，移植的MSC归巢数量较少，不能充分发挥MSC的再生修复和免疫调节功能等。为了克服这些不足，优化MSC的研究和应用，相关领域研究人员深入探索多种调控MSC生物学特性的方法，结果发现，MSC的生物学特性在一定范围内具有可塑性。更有意义的是，不同的调控策略产生效果亦有差别。目前，该领域的研究进展较快。本文着重对MSC生物学特性的调控，使其效能增强的常用策略进行了综述，希望可以有助于全面辩证认识MSC的生物学特性，更好地开展MSC相关的基础研究和转化应用。

　　低氧预处理

　　MSC的功能不是一成不变的，MSC所处微环境中氧分压的改变会引起其生物学特性改变，这通常体现在MSC组织修复再生能力。Ho等[7]研究表明，对MSC进行低氧预处理，可以提高MSC的成骨分化，并且可通过稳定缺氧诱导因子-1α(hypoxia-induciblefactor-1α，HIF-1α)信号的表达，促进血管内皮生长因子的分泌，来启动血管生成，从而对骨缺损进行修复。Han等[8]利用裸鼠皮下脂肪移植模型，将低氧预处理的脂肪间充质干细胞(adipose-derivedmesenchymalstemcells,ADMSC)外泌体分离并注射入移植部位，结果显示，与未处理组相比，预处理组的脂肪组织毛细血管网形成明显增强，存活率更高。

　　除了促血管形成，低氧预处理还能同时增加MSC免疫抑制能力。Liu等[9]研究发现，低氧预处理可抑制骨髓间充质干细胞(bonemarrowmesenchymalstemcells，BMSC)分泌肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、转化生长因子-β1(TGF-β1)和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)，并促进BMSC分泌抗炎细胞因子和血管内皮生长因子，同时发挥免疫抑制和修复再生能力。

　　近年来，研究人员发现低氧预处理也会影响MSC的靶向迁移能力。氯化钴(CoCl2)是经典的化学低氧模拟剂，可模拟常规氧气状态下细胞缺氧状态。在大鼠急性脊髓损伤模型中，经模拟低氧预处理的BMSC能通过HIF-1α的介导促进趋化因子受体4(CXCR4)在细胞表面表达,从而促进BMSC向损伤区域迁移、归巢和定植;同时，BMSC的代谢发生适应性改变，对有害性刺激产生较强适应抵抗能力，存活率提高[10]。这有可能为临床上进行间充质干细胞移植治疗时提高其存活率和归巢能力提供了一个新的方法。另外，Meng等[11]的体外实验结果进一步表明，低氧预处理的MSC可通过HIF-1α/CXCR4途径促进MSC归巢，该作用受LincRNA-p21调控，该发现也为增强MSC的归巢能力提供了一种新策略。

　　生物活性分子预处理

　　红细胞生成素(erythropoietin,EPO)是一种主要由成人肾脏成纤维样细胞分泌的糖蛋白激素，以往的研究表明，其具有促进红细胞生成的功能。有意义的是，王迪生等[12]实验结果表明，EPO可以促进ADMSC向肾损伤部位定向趋化,并且经EPO预处理的ADMSC较单纯的ADMSC能够更好地抑制肾小管上皮细胞转分化，减轻细胞外的基质沉积，延缓肾纤维化作用，该发现为MSC更高效的应用于临床提供了新思路。此外，边素艳等[13]探究了EPO对MSC外泌体的影响，结果发现，EPO可促进MSC释放更多数量的外泌体，且这些外泌体具有更强的促血管新生能力。有趣的是，H2O2预处理与EPO预处理有着相似的作用，H2O2预处理ADMSC也能释放更多的外泌体并且同样具有更强的促血管再生能力[14]。

　　除此之外，细胞因子预处理还能够影响MSC的免疫调节能力。马聪等[15]发现，TGF-β1预处理MSC可增加MSC来源细胞外囊泡(MSC-EV)的数量，且升高囊泡内白介素-6(IL-6)浓度，下调TGFβ1浓度，同时会促进外周血单个核细胞凋亡，这说明，TGF-β1预处理MSC能够在一定程度上提高MSC-EV的免疫抑制能力。Kim等[16]在研究MSC治疗移植物抗宿主病时，发现同时注射干扰素γ(IFN-γ)可增强MSC的免疫抑制能力，明显改善小鼠移植物抗宿主病症状，并进一步证明，IFN-γ预处理的MSC可通过JAK/STAT1信号通路诱导IDO表达，进而抑制T细胞免疫活性。

　　基因修饰预处理

　　外源基因修饰是一种增强MSC活性，提高MSC治疗效果的常见策略。Hu等[17]研究表明，用携带PGC1α慢病毒载体感染MSC，并将修饰过的MSC用于大鼠模型治疗，发现可以减轻大鼠脊髓损伤模型中神经元的凋亡，并增强轴突再生的潜力。Xiang等[18]的研究结果显示，GREM1基因过表达可增加毛细血管密度，提高缺血环境中移植MSC的存活率，并且增强血管生成，促进损伤部位修复再生。另外，方玲等[19]在MSC外泌体的研究中发现，miR-486基因修饰脐带间充质干细胞(UC-MSC)后，其分泌的外泌体中miR-486表达显著增高，该外泌体对心肌细胞有促增殖、促迁移及抑制心肌细胞凋亡的作用。

　　MSC表面的CXCR4是介导MSC归巢的重要受体。陈伟等[20]利用慢病毒载体修饰使小鼠BMSC过表达CXCR4基因，并在小鼠清髓性照射后注射过表达CXCR4的BMSC，结果显示，在脾脏和骨髓中归巢的MSC数量明显增加，这证明CXCR4基因过表达可增强MSC归巢能力。

　　另外，在造血支持方面，顾洁等[21]将BMSC的Tet2基因敲除(Tet2-/-BMSC)后发现，其增殖和造血支持能力明显增强，Tet2-/-BMSC能够分泌更多的趋化因子配体5(CCL5)、GM-CSF、基质细胞衍生因子(SDF1)和CCL3来调控造血。

　　力学刺激预处理

　　体外应用机械应力干预细胞的研究早有报道，近年来，一些学者采用各种力学装置，模拟体内环境，对MSC进行力学干预，结果发现对其增殖及分化能力有一定的影响。Zhang等[22]实验结果显示，在冲击波处理的MSC中，S期细胞数量增加，G0/G1期阻滞细胞数减少，这表明，发散式冲击波可增强MSC的自我更新能力;此外，发散式冲击波促进MSC成骨分化，但抑制成脂活性;最重要的是，经发散式冲击波预处理的MSC在体内对软骨缺损表现出更强再生效果。Ouyang等[23]也证明了将MSC与软骨细胞共培养，并给予适当的机械干预，可促进软骨细胞扩增，改善软骨细胞表型，这有利于修复关节软骨缺损。

　　除了对增殖和分化能力的影响，体外冲击波预处理MSC也会对其免疫调节能力产生作用。Chen等[24]在研究改善大鼠脑死亡所致的机体损伤中发现，体外冲击波治疗和ADMSC移植治疗均可以减轻大鼠脑死亡所致的机体炎症反应，氧化应激和细胞凋亡，更重要的是，体外冲击波预处理ADMSC联合治疗效果比两者单独治疗效果更佳。

　　调整移植策略

　　某些情况下，直接注射的MSC在低氧、炎症、高氧化应激的条件下会很快凋亡和死亡，而生物材料可以支持细胞保持其活力并增强治疗效果，因此，MSC和生物材料的联合移植能够提高MSC的植入率，以提升MSC的疗效。Falanga等[25]报道，纤维蛋白喷雾剂作为MSC植入的载体可加速小鼠和人体皮肤伤口的愈合。该药物经美国食品药品监督管理局批准，已在基础和临床试验中得到广泛应用。随着组织工程学的快速发展，石永新等[26]发现，3D打印技术制备的聚磷酸钙/淫羊藿苷复合骨支架可促进BMSC向受损部位迁移，促进其成骨分化，同时可募集神经生长因子，增强其成骨细胞活性和成骨能力，进而促进骨缺损的修复。除此之外，利用磁性纳米颗粒标记MSC可以在体内监视其迁移、增殖、活性、凋亡等情况，同时能够促进MSC的成骨分化和体内骨再生[27]。

　　结语

　　MSC可通过归巢、分泌一系列细胞因子、生长因子以及外泌体等发挥免疫调节、造血支持和组织再生修复等能力。目前，已有大量研究表明，各种预处理方式和移植时支架材料合理应用可以增强MSC的生物学特性，但大多数实验仅有现象，需要研究人员对其内在机制进行深入研究，为优化MSC的临床应用策略提供明确的依据。另外，目前多数实验为体外实验或动物实验，尚不能明确这些效应在人体中是否同样有效，具体影响和作用机制仍有待进一步的临床试验研究。——论文作者：李佩霖，朱恒*

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