间充质干细胞不同移植途径修复慢性创面的机制,免疫学论文

间充质干细胞不同移植途径修复慢性创面的机制,免疫学论文内容摘要背景：间充质干细胞移植在慢性伤口治疗领域中已被证明是一项有前景的新疗法。在加强其应用疗效方面，关于间充质干细胞不同输送途径及优劣比拟的研究鲜见报道，优化输送途径对于提高间充质干细胞在创面修复中的应用效果尤为重要。目的：讨论间充质干细胞促进创面修复的相关机制，并就不同移植方式在慢性创面修复中的应用效果展开综述。方式方法：由。结果与结论：①旁分泌功能是间充质干细胞发挥创面修复作用的主要机制，间充质干细胞通过分泌可溶性因子和释放胞外囊泡促进血管生成，减轻局部炎症反响，调节细胞外基质重塑，重建利于组织修复的再生微环境。②综合来看，生物材料支架是当前间充质干细胞给药途径中最有前景的移植方式之一，与传统全身给药(动脉、静脉给药)和传统局部给药(如皮下、肌内注射)相比，优良的可塑性、生物活性、生物降解性和生物相容性是其占据优势的4个关键特性，以生物材料支架为代表的新型给药方式一定程度上克制了传统给药途径的安全性差、效率低等众多问题，提高了间充质干细胞在慢性伤口中的应用效果，有待进一步开发其优势。③间充质干细胞移植途径的选择一定程度上取决于其治疗目的及应用何种作用机制。④关于间充质干细胞的作用机制与给药途径的关系，以间充质干细胞向受损组织归巢为例，当移植方式为局部给药(如肌内注射)，除了受损组织内间充质干细胞的基本间质迁移外，间充质干细胞则不需要必须向受损组织归巢和迁移；假设间充质干细胞的输送是全身性的(如如动脉和静脉途径注射)，间充质干细胞的归巢机制是到达其修复目的所必需的。因而，为提高应用质量，应将给药途径与间充质干细胞介入创面修复的相关机制综合考虑。本文关键词语：间充质干细胞；慢性创面；皮肤；机制；输注途径；移植；组织工程；再生医学慢性伤口是指皮肤组织长达6-8周以上没有能正常愈合，且无法通过正常、有序、及时的修复经过以到达解剖和功能上完好状态的伤口[1]。根据发病原因分类，慢性伤口通常分为血管性溃疡(静脉或动脉溃疡)、糖尿病溃疡和压力性溃疡，华而不实年龄、免疫状况、营养不良、疾病和药物等是导致慢性伤口构成的主要危险因素。有研究表示清楚，与正常愈合的伤口相比，慢性伤口表现出促炎细胞因子、蛋白酶和活性氧等水平的增加，细胞衰老速度加快及干细胞数量减少[2]。有数据显示，中国每年需要行创面治疗的患者约1亿人次，严重患者约3000万人次，将来随着中国人口老龄化趋势加快，与之相关的慢性难愈性创面的发生率还会进一步增加[3]。与此同时，慢性伤口的发生也给医疗保健系统和患者带来了沉重的财政负担，仅在美国每年治疗难愈性伤口方面的费用就接近300亿美元[4]。创面损伤种类多而复杂，人们对创面治疗的质量要求也越来越高，因而怎样快速、安全、完美修复慢性创面是临床亟待解决的问题。当前临床上已有多种治疗创面损伤的方式方法，如传统药物治疗、负压封闭引流、生物敷料和自体皮瓣移植技术等，传统的创面治疗方式方法已不能完全知足临床治疗和患者本身的需要；传统的慢性伤口护理方案通常是针对感染或坏死组织行清创术，随后应用伤口敷料和局部药剂来保卫伤口免受感染并加速愈合，当前伤口护理有限的治疗方案很少能有效地逆转慢性伤口的演变，慢性伤口护理只获得了中等程度的成功；对于老年人群，其皮肤中的胶原蛋白总量和表皮更新速度在随年龄递减，加之老年患者常由于不能忍耐外科干涉治疗，因而其伤口治疗选择也越来越有限。面临慢性伤口风险的患者群体正在迅速增长，迫切需要开发更有效的伤口护理策略。同传统治疗方式方法相比，干细胞治疗创面损伤被以为是一种有前途的新疗法。间充质干细胞作为一类具有高度自我更新、多向分化潜能和低免疫原性的多能干细胞，广泛存在于骨髓、脂肪、胎盘、脐带、脐血、羊膜和牙髓等多种组织中[5-6]。间充质干细胞在不同诱导条件下能够定向分化为骨细胞、脂肪细胞和肌肉细胞等[7]，其分化不仅局限于中胚层，还可跨胚层分化为外胚层的神经元、神经胶质细胞和内胚层的肝细胞等细胞类型，具有良好的可塑性。间充质干细胞已被证明通太多种机制促进皮肤伤口愈合，华而不实旁分泌特性、免疫调节功能、迁移与归巢和定向分化能力是其发挥治疗效果的主要机制。间充质干细胞通过刺激血管生成，调节细胞外基质重塑，减轻局部炎症反响，再生皮肤构造和恢复功能，提高伤口愈合率。研究表示清楚，优化靶向给药途径能够改善移植的效果，延长有效治疗时间，减少治疗剂量[8]。然而确定最佳间充质干细胞输送方式还是再生医学的一大难题。当前有研究讨论间充质干细胞递送方式的应用及特点，但不同领域干细胞给药途径差异很大，例如在心血管系统领域，经静脉、冠状动脉、直接心肌内注射及使用导管经心内膜注射等给药途径已被广泛应用[9]；在脑血管系统领域，GAO等[10]讨论了干细胞经血管、脑室、鼻内、蛛网膜下腔和腹腔内等给药途径在脑出血患者中的应用及疗效；在皮肤组织工程领域，中国谢江帆等[11]重点讨论了局部给药途径(局部注射及局部喷雾等)在慢性伤口中的应用进展；国外LEE等[12]综述了部分局部给药的特点以及增加间充质干细胞的输送或存活的替代方式方法等，但当前间充质干细胞在慢性创面中的输送途径及其优缺点比拟仍缺乏系统阐述。不同给药途径常引起治疗效果和安全性等差异，了解间充质干细胞促进创面修复的机制有利于更科学地选择给药途径。因而在阅读国内外大量研究结果基础上，该文讨论间充质干细胞促进创面修复的可能机制，并就不同给药途径(全身给药途径、局部给药途径及新型给药途径)及其优缺点进行比拟，为后续提高干细胞应用方式的科学性和安全性，改善伤口愈合质量提供参考根据。1、资料和方式方法Dataandmethods1.1、资料来源1.1.1、检索人及检索时间由，最后纳入中文文献2篇；英文初检文献量约22243篇，最后纳入文献量为45篇；②间充质干细胞修复创面移植途径的中文初检文献量3980篇，最后纳入文献量1篇；英文初检文献量15059篇，最后纳入文献量为40篇。文献检索流程见图2。图2｜文献检索流程1.2、入组标准1.2.1、纳入标准①内容与检索词、写作主题相近的文章；②论点、论据真实可靠的文章。1.2.2、排除标准①研究内容与主题相关性低或不相关的文章；②研究内容重复、观点缺乏新意或有歧义的文章。1.3、文献质量评估和数据提取由进行分析讨论。2、结果Results2.1、间充质干细胞促进创面修复的主要机制。慢性伤口愈合牵涉细胞迁移、增殖、细胞外基质沉积和组织重塑等复杂生物分子的良好整合[13]。间充质干细胞作为再生医学中细胞治疗的重要来源，其在创面治疗中已有悠久历史，已被广泛应用于组织修复等再生医学领域，具体了解间充质干细胞修复创面的历史演变与进展有助于继续探寻求索间充质干细胞的治疗潜力，间充质干细胞在创面治疗中的部分研究脉络[14-21]，见表1。表1｜间充质干细胞促进创面修复的部分研究脉络间充质干细胞主要通过直接或间接方式促进创面组织愈合，包括靶向迁移并归巢到受损组织、分泌慢性伤口愈合所需的重要细胞因子(如表皮生长因子、肝细胞生长因子和血管内皮生长因子等)、直接分化为皮肤构造(如上皮细胞和皮肤附件构造)。另外，间充质干细胞发挥作用的重要原因在于其能抑制慢性伤口的炎症持续状态，优化伤口床，这是伤口愈合的重要前提。通过一种或多种机制的协同作用，削弱慢性伤口相关诱发和持续因素，促进皮肤再生与修复。当前国内外关于间充质干细胞在慢性伤口中的作用机制各有不同，见图3。图3｜间充质干细胞修复慢性创面的机制2.1.1、间充质干细胞的归巢能力与创面修复间充质干细胞经全身给药后，能否成功归巢至靶组织是实现其治疗效果的关键因素。干细胞归巢是指体内循环干细胞或外源性干细胞定位并进入特定环境生态位的能力[22]，作为一个多步骤的生理环节，其迁移经过主要包括滚动、趋化、跨内皮迁移以及定植入靶组织。当前间充质干细胞的归巢能力已经在伤口愈合中得到证明，其趋化性的实现主要通过间充质干细胞上表示出的趋化因子受体和受损组织分泌的趋化因子互相介导，间充质干细胞向炎症微环境的迁移主要依靠于促炎刺激诱导的趋化因子12与在间充质干细胞外表表示出的相应受体4的互相作用[23]。间充质干细胞拥有一个或多个功能性p-选择素配体，在迁移的下一阶段，间充质干细胞以P-选择素依靠的方式与内皮细胞互相作用，进而促进间充质干细胞募集[24]。然而间充质干细胞与内皮细胞的结合需要黏附分子，间充质干细胞的不同外表蛋白(如来自整合素家族的血管细胞黏附分子1)是跨内皮迁移阶段所必需的。迁移的最后阶段，当间充质干细胞锚定在内皮细胞上时，它们通过表示出蛋白水解酶(如基质金属蛋白酶)穿过基底膜并进入靶组织[25]。间充质干细胞归巢机制遭到其他多种因素调控。有研究表示清楚，局部和全身炎症信号影响间充质干细胞归巢至损伤部位[26]。组织损伤和炎症经过中释放的炎性细胞因子如肿瘤坏死因子、白细胞介素1和干扰素等诱导细胞外表表示出黏附分子，介导间充质干细胞向细胞外基质滚动和迁移[23]，通过这些信号间的协同作用，将间充质干细胞导向损伤部位。这讲明间充质干细胞的发动及其随后向损伤组织的归巢可能取决于全身和局部的炎异常感觉和状态态。另外有研究提到生长因子、骨桥蛋白也在间充质干细胞的迁移中起着重要作用[27]。有研究者在动物实验中验证了间充质干细胞在伤口中的归巢能力，SASAKI等[28]在小鼠皮内注射趋化因子(SLC/CCL21)，证实了该趋化因子能够将循环的间充质干细胞募集到伤口部位，进而促进血管生成介入伤口修复。LIAO等[29]在动物伤口模型中经皮内注射间充质干细胞可使施用的细胞归巢至伤口，显着提高伤口愈合的速度和质量。综上，归巢机制能使间充质干细胞靶向迁移至炎症损伤部位，在间充质干细胞促进慢性创面修复经过中发挥重要作用，需进一步考虑影响间充质干细胞归巢的因素，提高归巢能力。2.1.2、间充质干细胞的免疫调节与创面修复炎症是机体对有害刺激的自我防御机制，适度的炎症反响有利于伤口愈合。然而在慢性伤口中，炎症反响常是过度、失调的，这常导致皮肤瘢痕构成及抑制创面再上皮化，降低伤口愈合质量[30]。间充质干细胞具有强大的免疫调节特性，但其免疫特性并非先天固有，炎症微环境是诱导其启动免疫功能的先决条件，炎症部位中的特定促炎因子如干扰素可激活间充质干细胞[31]，激活后的间充质干细胞通过分泌抗炎因子(如吲哚胺2，3-双加氧酶、一氧化氮及白细胞介素10)实现其免疫调节功能，减轻组织炎症反响，促进间充质干细胞和其他常驻细胞功能再生，介入重建组织微环境[32]。间充质干细胞表示出中度水平的组织相容性复合体MHC-Ⅰ类，但不表示出MHC-Ⅱ类或介入体液及细胞介导免疫反响的共刺激分子CD80，CD86或CD40，这使间充质干细胞具有低免疫原性的特点[33]，在自体和异体移植治疗方面成为最有吸引力的候选种子细胞之一。间充质干细胞和免疫细胞之间的直接接触也是其发挥免疫调节的重要原因，间充质干细胞分泌的可溶性因子可抑制宿主先天和适应性免疫细胞(B细胞、T细胞、自然杀伤细胞、树突状细胞和M1型巨噬细胞)的激活、成熟和增殖[34]。在炎症条件下，间充质干细胞还能够影响树突状细胞、幼稚T细胞和效应T细胞以及自然杀伤细胞的细胞因子分泌形式，进而诱导更抗炎或耐受性的细胞表型[35]。当然，间充质干细胞发挥免疫调节的经过是动态平衡的，有研究发现，间充质干细胞可通过不同的受体(如Toll样受体)辨别危险信号[36]，间充质干细胞根据炎症信号类型或强度分泌细胞因子以促进或抑制免疫应答，维持免疫平衡，这讲明间充质干细胞可在特定条件下向促炎和抗炎表型之间转换。由此可见间充质干细胞与免疫抑制因子和免疫细胞之间互相作用对伤口愈合至关重要。对于特殊老年人群，随着年龄的增加和身体功能的下降，其伤口与正常人慢性伤口相比更容易拖延不愈。有研究发现，老年患者的慢性伤口即便没有感染，炎症细胞因子水平也比年轻人群高约4倍，而间充质干细胞在老年人伤口愈合的炎症期可抑制T细胞、肿瘤坏死因子、干扰素的增殖，调节细胞因子的分泌，抑制过度炎症反响[37]。有研究在临床前动物皮肤损伤模型和临床烧伤患者中证实了间充质干细胞在创面修复中的免疫调节作用[38-39]。总而言之，间充质干细胞主要通过分泌特定因子来影响先天和适应性免疫系统，加之与免疫细胞直接接触这两者协同作用实现其免疫调节功能。2.1.3、间充质干细胞旁分泌特性与创面修复早期研究将间充质干细胞的治疗效果归因于其移植和分化能力。然而，有研究发现移植的间充质干细胞与宿主损伤部位的现有细胞混合比例很小，而且植入时间太短，在全身给药后仅缺乏1%的间充质干细胞存活超过1周[40]，这表示清楚间充质干细胞的治疗潜力并非是细胞本身发挥作用，可能是由其旁分泌机制介导[41]。后续研究证实了间充质干细胞的旁分泌作用是其发挥创面修复和再生功能的主要机制，其旁分泌功能是通过分泌可溶性因子和释放胞外囊泡(如外泌体和微泡)来实现的。间充质干细胞能够分泌多种自分泌和旁分泌因子，包括细胞因子、趋化因子、生长因子细胞外基质蛋白，以上这些是无细胞治疗的主要来源[42]。该类因子能促进受损组织血管生成，减少细胞凋亡和降低组织纤维化程度，加强神经元存活和分化，刺激细胞外基质重塑，减轻局部炎症，加速组织修复[43]，具有血管生成、营养、神经调节、免疫调节和抗炎活性。慢性伤口由于长期拖延不愈，损伤部位缺乏功能性血管网络，细胞代谢废物去除不良，受损组织常伴随缺氧以及炎性浸润。新生血管的构成是组织修复的关键步骤，体内的缺氧诱导因子1被以为是间充质干细胞在缺氧条件下加强血管调节功能的主调节因子[44]，该因子通过诱导血管内皮细胞生长因子促进血管生成[45]。还有研究发现当间充质干细胞在高浓度炎症细胞因子的条件下培养并被移植到炎症微环境中时，间充质干细胞开场产生抗血管生成分子，以阻止炎症组织中循环白细胞的迁移[41]。当前已经知道的细胞外囊泡主要包括凋亡小体、微泡和外泌体[46]，它们是很多经过(如免疫反响、血管生成、增殖和分化)中细胞间通讯的重要介质之一。间充质干细胞分泌的囊泡将其内容物(遗传物质、生长和免疫调节因子)传递到靶细胞，进而激活抗凋亡和促存活通路，促进受损组织修复和再生。有研究试图引入间充质干细胞衍生的外泌体作为治疗创面修复的一种更安全的选择[47-48]，例如在糖尿病皮肤缺损动物模型中，不同来源间充质干细胞衍生的外泌体能有效促进血管再生和创面再上皮化，缩小创面受损面积。另外研究发现间充质干细胞与皮肤成纤维细胞相比，间充质干细胞条件培养基中具有更高层次水平促血管生成细胞因子(如血管内皮生长因子和胰岛素样生长因子1等)，可加强伤口内皮细胞的增殖和新生血管构成[3]。利用间充质干细胞衍生的条件培养基治疗组织炎症作为无细胞治疗范畴，具有易于制备、储存和运输，易于给药等优点[49]，在一定程度上克制了基于间充质干细胞治疗的很多限制，包括不必要的分化和同种异体免疫反响的潜在激活等。总之，间充质干细胞能够通过分泌生物活性可溶性因子并与不同类型的宿主细胞互相作用，进而建立有利于组织修复和体内平衡的再生微环境。2.1.4、间充质干细胞的定向分化与创面修复间充质干细胞的分化潜能早已遭到广泛关注，其因具有分化为中胚层、外胚层和内胚层谱系的潜力而具有良好的可塑性。诸多研究表示清楚，在体外和体内扩增的间充质干细胞能够分化为驻留组织的细胞，修复受损组织并部分恢复其正常功能[50]。有研究发现，骨髓间充质干细胞能够直接分化和替代受损组织丢失成分[51]，如成纤维细胞、角质细胞及皮肤附件。除此之外，有研究通过将骨髓间充质干细胞和脂肪间充质干细胞植入到大鼠组织扩张模型和皮肤损伤模型中，发现间充质干细胞能够直接分化为血管内皮细胞介入伤口愈合中的血管生成[52-53]。这一系列的研究证实，间充质干细胞通过分化为不同谱系在皮肤再生中起着关键作用。但由于自体间充质干细胞数量有限，在临床应用前必须通过体外扩增进行分离，这会严重降低间充质干细胞的增殖和分化潜能，甚至在培养扩增经过中迅速老化。因而，改善当前的培养条件以更好地保存间充质干细胞的原始特性已成为将来在实验室研究和临床治疗中的关键问题。2.2、间充质干细胞在创面修复中的途径当前间充质干细胞在创面修复中的移植途径按输注部位大致分为2类，即全身给药和局部给药，局部给药又细分为传统局部给药和新型局部给药，见图4。图4｜间充质干细胞修复慢性创面的移植途径2.2.1、全身给药间充质干细胞成功治疗慢性伤口的先决条件之一是明确最优输送方式。当前间充质干细胞治疗缺乏最佳给药途径，为最大限度地发挥间充质干细胞的愈合潜力，提高间充质干细胞修复创面的效率、质量及安全性，提高细胞植入率，探寻求索最佳细胞输送途径显得尤为重要。全身给药是常用的输送方式之一，其主要通过血管途径实现，即静脉途径或动脉途径。静脉输注间充质干细胞治疗慢性创面是最常用的方式方法，其易于操作，侵袭性小，细胞迁移到目的组织后将保持靠近氧和营养中心的脉管系统[54]，适用于创面部位无法直接接触或需要全身治疗的情况，利用间充质干细胞的迁移能力随血液循环到体内特定的炎症组织。但间充质干细胞能否通过静脉输注到达靶组织仍存在争议，有研究发现伤口处的间充质干细胞的植入效率较低，大多数间充质干细胞在全身输注后立即被截留在肺毛细血管中，很少向靶组织迁移，即肺首过效应，华而不实大量滞留于肺的间充质干细胞甚至会引起肺部血栓[55-56]。GAO等[57]分析了肺首过效应的可能原因，即细胞直径以及黏附因素，该研究观察到间充质干细胞在肺滞留的数量会随着血管扩张剂的给药而减少。上述研究讲明，为提高细胞植入率和修复效果，在应用静脉途径输注间充质干细胞时应充分考虑细胞大小对修复效果的影响，必要时给予血管扩张剂的应用。相反，近期的其他研究发现，单核细胞通过吞噬作用从肺部去除间充质干细胞，去除后的间充质干细胞随血流迁移到其他部位并仍然提供治疗作用[58]。因而，关于静脉输注中的细胞植入率及归巢优化的相关问题有待进一步验证和讨论。动脉输注给药是全身输送的另外一种常用方式，理论上动脉输送允许细胞至少绕过肺部一次，进而避免肺部首过效应。有研究揣测动脉内注射有助于更高层次水平的间充质干细胞移植到靶器官，加强细胞的归巢性和治疗效果[59-60]。固然动脉输注途径在创面修复中获得一定效果[61]，但关于动脉输注的安全性问题仍有争议，已经发现动脉内注射间充质干细胞引起血管阻塞的发生率和严重程度与细胞大小密切相关[62]。无论静脉还是动脉注射，对间充质干细胞适当处理有助于提高注射的安全性，包括在移植前用高渗缓冲液处理间充质干细胞，优化细胞直径，减少注射细胞的数量和抗凝治疗等[63]。2.2.2、局部给药传统局部给药：相较于全身给药的高细胞损耗率和安全问题，局部给药作为伤口治疗的给药方式之一已逐步被接受，其优点是细胞植入率相对较高，缩短到达受伤皮肤的时间，可直接到达目的组织[64]。DASH等[65]进行了一项随机对照研究，对实验组下肢慢性伤口患者采用肌肉和皮下途径注射间充质干细胞，结果显示注射间充质干细胞组患者的下肢伤口面积显着缩小、疼痛程度减轻、行走能力改善。后续研究进一步比照了不同局部给药途径在大鼠糖尿病溃疡模型中的应用效果，发现肌内移植与皮下移植相比，其组织中的血管内皮生长因子表示出更高层次[66]。诸多研究显示了间充质干细胞局部应用的有效性，但缺氧、炎症等内部因素以及注射操作等外部因素会影响间充质干细胞应用效果。据报道，在临床前模型中，伤口局部注射的特点文章系统综述了间充质干细胞在慢性创面领域的修复机制和移植途径，指出应用不同的间充质干细胞移植途径时，其发挥修复机制的侧重点也相应随之改变，强调在应用特定输送途径时应将间充质干细胞相关修复机制考虑在内，二者相辅相成，密不可分。除此之外具体讨论了间充质干细胞各移植途径的分类及其在创面中的应用效果，指出生物材料支架作为新兴局部递送方式展现出的良好前景。3.3、综述的局限性当前间充质干细胞相关研究多集中在临床前动物模型中，针对间充质干细胞修复创面