間充質干細胞不同移植途徑修復慢性創面的機制,免疫學論文

間充質干細胞不同移植途徑修復慢性創面的機制,免疫學論文內容摘要背景：間充質干細胞移植在慢性傷口治療領域中已被證明是一項有前景的新療法。在加強其應用療效方面，關于間充質干細胞不同輸送途徑及優劣比擬的研究鮮見報道，優化輸送途徑對于提高間充質干細胞在創面修復中的應用效果尤為重要。目的：討論間充質干細胞促進創面修復的相關機制，并就不同移植方式在慢性創面修復中的應用效果展開綜述。方式方法：由。結果與結論：①旁分泌功能是間充質干細胞發揮創面修復作用的主要機制，間充質干細胞通過分泌可溶性因子和釋放胞外囊泡促進血管生成，減輕局部炎癥反響，調節細胞外基質重塑，重建利于組織修復的再生微環境。②綜合來看，生物材料支架是當前間充質干細胞給藥途徑中最有前景的移植方式之一，與傳統全身給藥(動脈、靜脈給藥)和傳統局部給藥(如皮下、肌內注射)相比，優良的可塑性、生物活性、生物降解性和生物相容性是其占據優勢的4個關鍵特性，以生物材料支架為代表的新型給藥方式一定程度上克制了傳統給藥途徑的安全性差、效率低等眾多問題，提高了間充質干細胞在慢性傷口中的應用效果，有待進一步開發其優勢。③間充質干細胞移植途徑的選擇一定程度上取決于其治療目的及應用何種作用機制。④關于間充質干細胞的作用機制與給藥途徑的關系，以間充質干細胞向受損組織歸巢為例，當移植方式為局部給藥(如肌內注射)，除了受損組織內間充質干細胞的基本間質遷移外，間充質干細胞則不需要必須向受損組織歸巢和遷移；假設間充質干細胞的輸送是全身性的(如如動脈和靜脈途徑注射)，間充質干細胞的歸巢機制是到達其修復目的所必需的。因而，為提高應用質量，應將給藥途徑與間充質干細胞介入創面修復的相關機制綜合考慮。本文關鍵詞語：間充質干細胞；慢性創面；皮膚；機制；輸注途徑；移植；組織工程；再生醫學慢性傷口是指皮膚組織長達6-8周以上沒有能正常愈合，且無法通過正常、有序、及時的修復經過以到達解剖和功能上完好狀態的傷口[1]。根據發病原因分類，慢性傷口通常分為血管性潰瘍(靜脈或動脈潰瘍)、糖尿病潰瘍和壓力性潰瘍，華而不實年齡、免疫狀況、營養不良、疾病和藥物等是導致慢性傷口構成的主要危險因素。有研究表示清楚，與正常愈合的傷口相比，慢性傷口表現出促炎細胞因子、蛋白酶和活性氧等水平的增加，細胞衰老速度加快及干細胞數量減少[2]。有數據顯示，中國每年需要行創面治療的患者約1億人次，嚴重患者約3000萬人次，將來隨著中國人口老齡化趨勢加快，與之相關的慢性難愈性創面的發生率還會進一步增加[3]。與此同時，慢性傷口的發生也給醫療保健系統和患者帶來了沉重的財政負擔，僅在美國每年治療難愈性傷口方面的費用就接近300億美元[4]。創面損傷種類多而復雜，人們對創面治療的質量要求也越來越高，因而怎樣快速、安全、完美修復慢性創面是臨床亟待解決的問題。當前臨床上已有多種治療創面損傷的方式方法，如傳統藥物治療、負壓封閉引流、生物敷料和自體皮瓣移植技術等，傳統的創面治療方式方法已不能完全知足臨床治療和患者本身的需要；傳統的慢性傷口護理方案通常是針對感染或壞死組織行清創術，隨后應用傷口敷料和局部藥劑來保衛傷口免受感染并加速愈合，當前傷口護理有限的治療方案很少能有效地逆轉慢性傷口的演變，慢性傷口護理只獲得了中等程度的成功；對于老年人群，其皮膚中的膠原蛋白總量和表皮更新速度在隨年齡遞減，加之老年患者常由于不能忍耐外科干涉治療，因而其傷口治療選擇也越來越有限。面臨慢性傷口風險的患者群體正在迅速增長，迫切需要開發更有效的傷口護理策略。同傳統治療方式方法相比，干細胞治療創面損傷被以為是一種有前途的新療法。間充質干細胞作為一類具有高度自我更新、多向分化潛能和低免疫原性的多能干細胞，廣泛存在于骨髓、脂肪、胎盤、臍帶、臍血、羊膜和牙髓等多種組織中[5-6]。間充質干細胞在不同誘導條件下能夠定向分化為骨細胞、脂肪細胞和肌肉細胞等[7]，其分化不僅局限于中胚層，還可跨胚層分化為外胚層的神經元、神經膠質細胞和內胚層的肝細胞等細胞類型，具有良好的可塑性。間充質干細胞已被證明通太多種機制促進皮膚傷口愈合，華而不實旁分泌特性、免疫調節功能、遷移與歸巢和定向分化能力是其發揮治療效果的主要機制。間充質干細胞通過刺激血管生成，調節細胞外基質重塑，減輕局部炎癥反響，再生皮膚構造和恢復功能，提高傷口愈合率。研究表示清楚，優化靶向給藥途徑能夠改善移植的效果，延長有效治療時間，減少治療劑量[8]。然而確定最佳間充質干細胞輸送方式還是再生醫學的一大難題。當前有研究討論間充質干細胞遞送方式的應用及特點，但不同領域干細胞給藥途徑差異很大，例如在心血管系統領域，經靜脈、冠狀動脈、直接心肌內注射及使用導管經心內膜注射等給藥途徑已被廣泛應用[9]；在腦血管系統領域，GAO等[10]討論了干細胞經血管、腦室、鼻內、蛛網膜下腔和腹腔內等給藥途徑在腦出血患者中的應用及療效；在皮膚組織工程領域，中國謝江帆等[11]重點討論了局部給藥途徑(局部注射及局部噴霧等)在慢性傷口中的應用進展；國外LEE等[12]綜述了部分局部給藥的特點以及增加間充質干細胞的輸送或存活的替代方式方法等，但當前間充質干細胞在慢性創面中的輸送途徑及其優缺點比擬仍缺乏系統闡述。不同給藥途徑常引起治療效果和安全性等差異，了解間充質干細胞促進創面修復的機制有利于更科學地選擇給藥途徑。因而在閱讀國內外大量研究結果基礎上，該文討論間充質干細胞促進創面修復的可能機制，并就不同給藥途徑(全身給藥途徑、局部給藥途徑及新型給藥途徑)及其優缺點進行比擬，為后續提高干細胞應用方式的科學性和安全性，改善傷口愈合質量提供參考根據。1、資料和方式方法Dataandmethods1.1、資料來源1.1.1、檢索人及檢索時間由，最后納入中文文獻2篇；英文初檢文獻量約22243篇，最后納入文獻量為45篇；②間充質干細胞修復創面移植途徑的中文初檢文獻量3980篇，最后納入文獻量1篇；英文初檢文獻量15059篇，最后納入文獻量為40篇。文獻檢索流程見圖2。圖2｜文獻檢索流程1.2、入組標準1.2.1、納入標準①內容與檢索詞、寫作主題相近的文章；②論點、論據真實可靠的文章。1.2.2、排除標準①研究內容與主題相關性低或不相關的文章；②研究內容重復、觀點缺乏新意或有歧義的文章。1.3、文獻質量評估和數據提取由進行分析討論。2、結果Results2.1、間充質干細胞促進創面修復的主要機制。慢性傷口愈合牽涉細胞遷移、增殖、細胞外基質沉積和組織重塑等復雜生物分子的良好整合[13]。間充質干細胞作為再生醫學中細胞治療的重要來源，其在創面治療中已有悠久歷史，已被廣泛應用于組織修復等再生醫學領域，具體了解間充質干細胞修復創面的歷史演變與進展有助于繼續探尋求索間充質干細胞的治療潛力，間充質干細胞在創面治療中的部分研究脈絡[14-21]，見表1。表1｜間充質干細胞促進創面修復的部分研究脈絡間充質干細胞主要通過直接或間接方式促進創面組織愈合，包括靶向遷移并歸巢到受損組織、分泌慢性傷口愈合所需的重要細胞因子(如表皮生長因子、肝細胞生長因子和血管內皮生長因子等)、直接分化為皮膚構造(如上皮細胞和皮膚附件構造)。另外，間充質干細胞發揮作用的重要原因在于其能抑制慢性傷口的炎癥持續狀態，優化傷口床，這是傷口愈合的重要前提。通過一種或多種機制的協同作用，削弱慢性傷口相關誘發和持續因素，促進皮膚再生與修復。當前國內外關于間充質干細胞在慢性傷口中的作用機制各有不同，見圖3。圖3｜間充質干細胞修復慢性創面的機制2.1.1、間充質干細胞的歸巢能力與創面修復間充質干細胞經全身給藥后，能否成功歸巢至靶組織是實現其治療效果的關鍵因素。干細胞歸巢是指體內循環干細胞或外源性干細胞定位并進入特定環境生態位的能力[22]，作為一個多步驟的生理環節，其遷移經過主要包括滾動、趨化、跨內皮遷移以及定植入靶組織。當前間充質干細胞的歸巢能力已經在傷口愈合中得到證明，其趨化性的實現主要通過間充質干細胞上表示出的趨化因子受體和受損組織分泌的趨化因子互相介導，間充質干細胞向炎癥微環境的遷移主要依靠于促炎刺激誘導的趨化因子12與在間充質干細胞外表表示出的相應受體4的互相作用[23]。間充質干細胞擁有一個或多個功能性p-選擇素配體，在遷移的下一階段，間充質干細胞以P-選擇素依靠的方式與內皮細胞互相作用，進而促進間充質干細胞募集[24]。然而間充質干細胞與內皮細胞的結合需要黏附分子，間充質干細胞的不同外表蛋白(如來自整合素家族的血管細胞黏附分子1)是跨內皮遷移階段所必需的。遷移的最后階段，當間充質干細胞錨定在內皮細胞上時，它們通過表示出蛋白水解酶(如基質金屬蛋白酶)穿過基底膜并進入靶組織[25]。間充質干細胞歸巢機制遭到其他多種因素調控。有研究表示清楚，局部和全身炎癥信號影響間充質干細胞歸巢至損傷部位[26]。組織損傷和炎癥經過中釋放的炎性細胞因子如腫瘤壞死因子、白細胞介素1和干擾素等誘導細胞外表表示出黏附分子，介導間充質干細胞向細胞外基質滾動和遷移[23]，通過這些信號間的協同作用，將間充質干細胞導向損傷部位。這講明間充質干細胞的發動及其隨后向損傷組織的歸巢可能取決于全身和局部的炎異常感覺和狀態態。另外有研究提到生長因子、骨橋蛋白也在間充質干細胞的遷移中起著重要作用[27]。有研究者在動物實驗中驗證了間充質干細胞在傷口中的歸巢能力，SASAKI等[28]在小鼠皮內注射趨化因子(SLC/CCL21)，證實了該趨化因子能夠將循環的間充質干細胞募集到傷口部位，進而促進血管生成介入傷口修復。LIAO等[29]在動物傷口模型中經皮內注射間充質干細胞可使施用的細胞歸巢至傷口，顯著提高傷口愈合的速度和質量。綜上，歸巢機制能使間充質干細胞靶向遷移至炎癥損傷部位，在間充質干細胞促進慢性創面修復經過中發揮重要作用，需進一步考慮影響間充質干細胞歸巢的因素，提高歸巢能力。2.1.2、間充質干細胞的免疫調節與創面修復炎癥是機體對有害刺激的自我防御機制，適度的炎癥反響有利于傷口愈合。然而在慢性傷口中，炎癥反響常是過度、失調的，這常導致皮膚瘢痕構成及抑制創面再上皮化，降低傷口愈合質量[30]。間充質干細胞具有強大的免疫調節特性，但其免疫特性并非先天固有，炎癥微環境是誘導其啟動免疫功能的先決條件，炎癥部位中的特定促炎因子如干擾素可激活間充質干細胞[31]，激活后的間充質干細胞通過分泌抗炎因子(如吲哚胺2，3-雙加氧酶、一氧化氮及白細胞介素10)實現其免疫調節功能，減輕組織炎癥反響，促進間充質干細胞和其他常駐細胞功能再生，介入重建組織微環境[32]。間充質干細胞表示出中度水平的組織相容性復合體MHC-Ⅰ類，但不表示出MHC-Ⅱ類或介入體液及細胞介導免疫反響的共刺激分子CD80，CD86或CD40，這使間充質干細胞具有低免疫原性的特點[33]，在自體和異體移植治療方面成為最有吸引力的候選種子細胞之一。間充質干細胞和免疫細胞之間的直接接觸也是其發揮免疫調節的重要原因，間充質干細胞分泌的可溶性因子可抑制宿主先天和適應性免疫細胞(B細胞、T細胞、自然殺傷細胞、樹突狀細胞和M1型巨噬細胞)的激活、成熟和增殖[34]。在炎癥條件下，間充質干細胞還能夠影響樹突狀細胞、幼稚T細胞和效應T細胞以及自然殺傷細胞的細胞因子分泌形式，進而誘導更抗炎或耐受性的細胞表型[35]。當然，間充質干細胞發揮免疫調節的經過是動態平衡的，有研究發現，間充質干細胞可通過不同的受體(如Toll樣受體)辨別危險信號[36]，間充質干細胞根據炎癥信號類型或強度分泌細胞因子以促進或抑制免疫應答，維持免疫平衡，這講明間充質干細胞可在特定條件下向促炎和抗炎表型之間轉換。由此可見間充質干細胞與免疫抑制因子和免疫細胞之間互相作用對傷口愈合至關重要。對于特殊老年人群，隨著年齡的增加和身體功能的下降，其傷口與正常人慢性傷口相比更容易拖延不愈。有研究發現，老年患者的慢性傷口即便沒有感染，炎癥細胞因子水平也比年輕人群高約4倍，而間充質干細胞在老年人傷口愈合的炎癥期可抑制T細胞、腫瘤壞死因子、干擾素的增殖，調節細胞因子的分泌，抑制過度炎癥反響[37]。有研究在臨床前動物皮膚損傷模型和臨床燒傷患者中證實了間充質干細胞在創面修復中的免疫調節作用[38-39]。總而言之，間充質干細胞主要通過分泌特定因子來影響先天和適應性免疫系統，加之與免疫細胞直接接觸這兩者協同作用實現其免疫調節功能。2.1.3、間充質干細胞旁分泌特性與創面修復早期研究將間充質干細胞的治療效果歸因于其移植和分化能力。然而，有研究發現移植的間充質干細胞與宿主損傷部位的現有細胞混合比例很小，而且植入時間太短，在全身給藥后僅缺乏1%的間充質干細胞存活超過1周[40]，這表示清楚間充質干細胞的治療潛力并非是細胞本身發揮作用，可能是由其旁分泌機制介導[41]。后續研究證實了間充質干細胞的旁分泌作用是其發揮創面修復和再生功能的主要機制，其旁分泌功能是通過分泌可溶性因子和釋放胞外囊泡(如外泌體和微泡)來實現的。間充質干細胞能夠分泌多種自分泌和旁分泌因子，包括細胞因子、趨化因子、生長因子細胞外基質蛋白，以上這些是無細胞治療的主要來源[42]。該類因子能促進受損組織血管生成，減少細胞凋亡和降低組織纖維化程度，加強神經元存活和分化，刺激細胞外基質重塑，減輕局部炎癥，加速組織修復[43]，具有血管生成、營養、神經調節、免疫調節和抗炎活性。慢性傷口由于長期拖延不愈，損傷部位缺乏功能性血管網絡，細胞代謝廢物去除不良，受損組織常伴隨缺氧以及炎性浸潤。新生血管的構成是組織修復的關鍵步驟，體內的缺氧誘導因子1被以為是間充質干細胞在缺氧條件下加強血管調節功能的主調節因子[44]，該因子通過誘導血管內皮細胞生長因子促進血管生成[45]。還有研究發現當間充質干細胞在高濃度炎癥細胞因子的條件下培養并被移植到炎癥微環境中時，間充質干細胞開場產生抗血管生成分子，以阻止炎癥組織中循環白細胞的遷移[41]。當前已經知道的細胞外囊泡主要包括凋亡小體、微泡和外泌體[46]，它們是很多經過(如免疫反響、血管生成、增殖和分化)中細胞間通訊的重要介質之一。間充質干細胞分泌的囊泡將其內容物(遺傳物質、生長和免疫調節因子)傳遞到靶細胞，進而激活抗凋亡和促存活通路，促進受損組織修復和再生。有研究試圖引入間充質干細胞衍生的外泌體作為治療創面修復的一種更安全的選擇[47-48]，例如在糖尿病皮膚缺損動物模型中，不同來源間充質干細胞衍生的外泌體能有效促進血管再生和創面再上皮化，縮小創面受損面積。另外研究發現間充質干細胞與皮膚成纖維細胞相比，間充質干細胞條件培養基中具有更高層次水平促血管生成細胞因子(如血管內皮生長因子和胰島素樣生長因子1等)，可加強傷口內皮細胞的增殖和新生血管構成[3]。利用間充質干細胞衍生的條件培養基治療組織炎癥作為無細胞治療范疇，具有易于制備、儲存和運輸，易于給藥等優點[49]，在一定程度上克制了基于間充質干細胞治療的很多限制，包括不必要的分化和同種異體免疫反響的潛在激活等。總之，間充質干細胞能夠通過分泌生物活性可溶性因子并與不同類型的宿主細胞互相作用，進而建立有利于組織修復和體內平衡的再生微環境。2.1.4、間充質干細胞的定向分化與創面修復間充質干細胞的分化潛能早已遭到廣泛關注，其因具有分化為中胚層、外胚層和內胚層譜系的潛力而具有良好的可塑性。諸多研究表示清楚，在體外和體內擴增的間充質干細胞能夠分化為駐留組織的細胞，修復受損組織并部分恢復其正常功能[50]。有研究發現，骨髓間充質干細胞能夠直接分化和替代受損組織丟失成分[51]，如成纖維細胞、角質細胞及皮膚附件。除此之外，有研究通過將骨髓間充質干細胞和脂肪間充質干細胞植入到大鼠組織擴張模型和皮膚損傷模型中，發現間充質干細胞能夠直接分化為血管內皮細胞介入傷口愈合中的血管生成[52-53]。這一系列的研究證實，間充質干細胞通過分化為不同譜系在皮膚再生中起著關鍵作用。但由于自體間充質干細胞數量有限，在臨床應用前必須通過體外擴增進行分離，這會嚴重降低間充質干細胞的增殖和分化潛能，甚至在培養擴增經過中迅速老化。因而，改善當前的培養條件以更好地保存間充質干細胞的原始特性已成為將來在實驗室研究和臨床治療中的關鍵問題。2.2、間充質干細胞在創面修復中的途徑當前間充質干細胞在創面修復中的移植途徑按輸注部位大致分為2類，即全身給藥和局部給藥，局部給藥又細分為傳統局部給藥和新型局部給藥，見圖4。圖4｜間充質干細胞修復慢性創面的移植途徑2.2.1、全身給藥間充質干細胞成功治療慢性傷口的先決條件之一是明確最優輸送方式。當前間充質干細胞治療缺乏最佳給藥途徑，為最大限度地發揮間充質干細胞的愈合潛力，提高間充質干細胞修復創面的效率、質量及安全性，提高細胞植入率，探尋求索最佳細胞輸送途徑顯得尤為重要。全身給藥是常用的輸送方式之一，其主要通過血管途徑實現，即靜脈途徑或動脈途徑。靜脈輸注間充質干細胞治療慢性創面是最常用的方式方法，其易于操作，侵襲性小，細胞遷移到目的組織后將保持靠近氧和營養中心的脈管系統[54]，適用于創面部位無法直接接觸或需要全身治療的情況，利用間充質干細胞的遷移能力隨血液循環到體內特定的炎癥組織。但間充質干細胞能否通過靜脈輸注到達靶組織仍存在爭議，有研究發現傷口處的間充質干細胞的植入效率較低，大多數間充質干細胞在全身輸注后立即被截留在肺毛細血管中，很少向靶組織遷移，即肺首過效應，華而不實大量滯留于肺的間充質干細胞甚至會引起肺部血栓[55-56]。GAO等[57]分析了肺首過效應的可能原因，即細胞直徑以及黏附因素，該研究觀察到間充質干細胞在肺滯留的數量會隨著血管擴張劑的給藥而減少。上述研究講明，為提高細胞植入率和修復效果，在應用靜脈途徑輸注間充質干細胞時應充分考慮細胞大小對修復效果的影響，必要時給予血管擴張劑的應用。相反，近期的其他研究發現，單核細胞通過吞噬作用從肺部去除間充質干細胞，去除后的間充質干細胞隨血流遷移到其他部位并仍然提供治療作用[58]。因而，關于靜脈輸注中的細胞植入率及歸巢優化的相關問題有待進一步驗證和討論。動脈輸注給藥是全身輸送的另外一種常用方式，理論上動脈輸送允許細胞至少繞過肺部一次，進而避免肺部首過效應。有研究揣測動脈內注射有助于更高層次水平的間充質干細胞移植到靶器官，加強細胞的歸巢性和治療效果[59-60]。固然動脈輸注途徑在創面修復中獲得一定效果[61]，但關于動脈輸注的安全性問題仍有爭議，已經發現動脈內注射間充質干細胞引起血管阻塞的發生率和嚴重程度與細胞大小密切相關[62]。無論靜脈還是動脈注射，對間充質干細胞適當處理有助于提高注射的安全性，包括在移植前用高滲緩沖液處理間充質干細胞，優化細胞直徑，減少注射細胞的數量和抗凝治療等[63]。2.2.2、局部給藥傳統局部給藥：相較于全身給藥的高細胞損耗率和安全問題，局部給藥作為傷口治療的給藥方式之一已逐步被接受，其優點是細胞植入率相對較高，縮短到達受傷皮膚的時間，可直接到達目的組織[64]。DASH等[65]進行了一項隨機對照研究，對實驗組下肢慢性傷口患者采用肌肉和皮下途徑注射間充質干細胞，結果顯示注射間充質干細胞組患者的下肢傷口面積顯著縮小、疼痛程度減輕、行走能力改善。后續研究進一步比照了不同局部給藥途徑在大鼠糖尿病潰瘍模型中的應用效果，發現肌內移植與皮下移植相比，其組織中的血管內皮生長因子表示出更高層次[66]。諸多研究顯示了間充質干細胞局部應用的有效性，但缺氧、炎癥等內部因素以及注射操作等外部因素會影響間充質干細胞應用效果。據報道，在臨床前模型中，傷口局部注射的特點文章系統綜述了間充質干細胞在慢性創面領域的修復機制和移植途徑，指出應用不同的間充質干細胞移植途徑時，其發揮修復機制的側重點也相應隨之改變，強調在應用特定輸送途徑時應將間充質干細胞相關修復機制考慮在內，二者相輔相成，密不可分。除此之外具體討論了間充質干細胞各移植途徑的分類及其在創面中的應用效果，指出生物材料支架作為新興局部遞送方式展現出的良好前景。3.3、綜述的局限性當前間充質干細胞相關研究多集中在臨床前動物模型中，針對間充質干細胞修復創面