一文读懂间充质干细胞与人体的修复

2021-03-01 14:12
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干细胞疗法是指利用干细胞或其衍生的细胞,以特殊技术移植到体内,取代病人受损的细胞或通过招募内源性组织特异性干细胞进而产生新的组织,或发挥积极的免疫调节作用。


通过再生医学,人体希望有一天能够修复和恢复严重的组织损伤,甚至更换整个器官。科学家们正在努力开发新型治疗方法,以期支持促进组织修复的过程。由于其强大的促进修复再生潜能,间充质干细胞(MSCs)被当做一个重要的突破口。


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图1.间充质干细胞在再生医学领域的未来前景



间充质干细胞的研究概况


试着想象一下:在人体内,有着数以千万计的微型维修工人,到受伤的地方去创造新的骨头、软骨、肌肉和神经。在人体中,有一位技艺高超的修复大师,他掌握了修复人体几乎所有类型受损组织的秘诀。


那么,间充质干细胞(MSCs)会是合格的修复大师吗?


大约超过7000篇关于MSCs的论文在2018年发表,788项已经完成或正在进行的MSCs临床研究(Ayala-Cuellar et al ., 2019)。自从20世纪70年代Friedenstein等人发现MSCs以来,MSCs就一直是学术界和临床转化研究的焦点。


MSCs具有自我更新和多向分化的潜能。由于其易于分离和便于体外扩增的特点,MSCs也成为再生医学中最常用的细胞。此外,因为具有免疫调节特性,MSCs治疗还为自身免疫病、炎症和血液病以及移植手术提供了一个很有前景的治疗手段(Weiss和Dhalke, 2019)。

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图2. MSC是学术界和临床转化的宠儿


间充质干细胞的制备工艺


从骨髓、脐带华通氏胶、胎盘、真皮和脂肪组织,甚至牙髓中,细胞学家们获取得到了MSCs。他们在临床试验中使用自体来源和异体来源的MSCs。由于原代获得的MSCs数量有限,必须在体外扩增获得足够的细胞,才能满足用于治疗目的(Mizukami和Swiech, 2018)。


关于体外扩增MSCs,研究人员通常依赖传统的单层平皿培养,这提供了一个简单、低成本、易于操作的平台。为了规模化扩增MSCs,多层平皿培养体系(也称“细胞工厂”)开发出来。然而,最新数据表明,2D培养体系可能会限制MSCs的治疗属性。而使用3D培养体系可以提高MSCs的活率、干性、抗炎性和血管生成特性(Petrenko等,2017)。


在生物反应器中,可以制备大量符合GMP管理要求,高质量标准MSCs。生物反应器可持续监测和调节诸多培养因素(诸如pH值、温度、氧气和二氧化碳浓度等)。一旦进行规模化扩增,MSCs必须在最佳条件下进行处理和收集,才能保证成为具有高活性和功能的细胞产品。


不同实验室的质量控制标准可能有所不同,因为缺少干细胞关键质量属性(Critical Quality Attributes, CQA)的共识。不管怎样,至少要满足国际细胞治疗协会(ISCT)给出的人源MSCs三条最基本定义:


MSCs在标准培养条件下,呈贴壁生长;

MSCs表达CD105、CD73和CD90,不表达CD45、CD34、CD14或CD11b、CD79α或CD19及HLA-DR表面标记;

MSCs在体外可以分化为成骨细胞、脂肪细胞和成软骨细胞


其他关键质量属性,还应包括核型分析、高活性证明和效力测试等。



间充质干细胞与再生医学


在临床前和临床试验中,科学家一直努力探索MSCs的治疗潜力,以期证明其治疗的安全性和有效性。研究结果表明,MSCs可以成功促进各种组织再生,包括骨、肌肉、神经、心肌、肝脏、角膜、气管和皮肤(Han et al., 2019)。

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图3. 间充质干细胞的三大作用机制


间充质干细胞与骨重建


当创伤、关节置换术或肿瘤切除手术后出现骨缺损时,医生通常推荐采用自体或异体骨移植作为一种治疗选择。然而,有限的供应、手术中感染和并发症的风险限制了这些方案(Garcia-Gareta et al.2015;Lozano-Calderon et al.2016)。因此,具有成骨潜能的MSCs成为骨重建的最佳选择。


经过大量研究比较,骨髓、脐带、牙髓等不同组织来源MSCs的成骨能力,但尚不清楚哪种来源细胞最适合。最近的数据表明,比起骨髓来源的MSCs,脂肪来源可能具有更好的增殖能力,这意味着脂肪来源的MSCs可以为临床骨组织工程提供良好的候选材料(Burrow et al., 2017)。


间充质干细胞与软骨损伤


在骨关节受损中,由于血液供应不足,软骨不能很好地自我修复,也不能很快地自我修复。目前的软骨修复技术有两种,骨髓刺激和软骨移植,然而效果很有限。科学家们不得不寻找新的有效替代方法。


从20世纪90年代的临床前试验开始,MSCs就已被用于软骨再生,并且与生物材料紧密结合。1)利用细胞外基质构建3D支架,可优化植入的MSCs增殖和分化。2)载有MSCs和刺激因子(如BMP-2/-4、IGF-1、TGF等)的水凝胶,可促进软骨损伤修复(Yang et al., 2017)。


尽管进行了大量的临床试验,科学家们依然还没有就最佳细胞来源达成一致。因此,在MSCs临床普及用于促进软骨再生之前,我们还需要进行更多的研究。除了促进骨重建和软骨修复,MSCs也是支持肌肉骨骼组织再生(如韧带、肌腱和椎间盘)的良好候选者。随着社会老龄化严重,越来越多的人患有退行性脊柱病,遭受严重的背部疼痛,需要进行手术治疗。而基于MSCs的细胞治疗是修复椎间盘、维持生物力学和减轻疼痛,可替代手术的有效方案(Orozco等人,2011)。


间充质干细胞与神经修复


MSCs具有再生神经组织的潜能 。研究方向主要集中在两个领域:第一个方向是由严重创伤或缺血引起的神经损伤;第二个方向是神经系统疾病(如多发性硬化症、渐冻人症症、缺血性卒中、帕金森病等)引起的功能障碍。通过释放细胞因子和活性分子(如TGF -ß,调节损伤和修复过程),MSCs可调节免疫反应和保护神经元结构(van Velthoven et al ., 2012)。

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图片来自视觉中国


这意味着,MSCs在脑损伤和修复周围神经时,可能有着不错的结果。临床前研究证实,MSCs可促进神经系统功能恢复。然而,临床应用的报道却很少(Papa et al., 2018)。


间充质干细胞与器官修复


临床试验和动物模型均已证明,MSCs不仅可再生组织,而且可修复器官,如心脏、肝脏、角膜和气管。


在肝硬化患者中,MSCs有助于改善肝功能。事实上,MSCs可以分泌营养和免疫调节因子支持肝细胞功能,逆转肝脏纤维化和促进血管生成(Wang et al., 2017)。对于研究人员来说,开发治疗肝衰竭的方法是紧迫的,因为需要肝移植的患者数量更多。


MSCs在再生医学方面的应用案例,包括治疗肾损伤和肺部疾病,还有大面积皮肤损伤的修复再生(Han et al., 2019)。

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图4.间充质干细胞的部分应用前景



理性看待间充质干细胞


干细胞技术让传统医疗手段无效的患者重新燃起希望,但干细胞治疗也犹如开启了“潘多拉魔盒”,人们充满了好奇、期待和恐惧。


随着MSCs临床研究的飞速增长,我们对MSCs基础知识的认识不足逐渐凸显出来,这限制了对其生物学功能的全面了解。


2018年,国际顶级学术期刊《自然》有这么一篇评论“Clear up this stem-cell mess(清理干细胞的混乱)”,Douglas Sipp等人指出:间充质干细胞给大众造成了一种万所不能的万金油印象,加上一些媒体的肆意吹捧,间充质干细胞变成一种“有魔力的、人人都能接受的神药”,成为商家向公众进行“干细胞干预”的首选细胞类型。


虽然临床前研究显示,MSCs能够促进功能恢复,但大多数临床研究仍处于早期阶段。到目前为止,只有少数MSCs治疗的商业产品获得了监管机构的批准。


质量控制问题


对于临床应用,必须保证MSC治疗的安全性。循环系统输注(动脉或静脉输注)MSCs相对安全,但也存在诱发肿瘤、炎症反应和纤维化的风险(Fitzsimmonset al., 2018)。由于MSCs可以抑制免疫系统,并促进新血管的形成,这可能会造成肿瘤的生长和转移。在修复过程中,纤维化反应也可能发生,因为MSCs也可以分化为成纤维细胞。研发人员必须克服MSCs规模化生产的障碍。由于MSCs细胞群具有异质性,因此不同的适应症需要不同的制备工艺。同样,由于每个临床应用都需要一个定制的、个性化的工艺流程,生产这些细胞产品的成本很高。


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图片来自视觉中国


质量控制标准共识的缺失,也阻碍了细胞制备工艺的标准化进程,评估产品的安全性和有效性仍然具有挑战性。长时间体外培养,也可能导致细胞出现基因变异或染色体异常。通常,MSCs在衰老前,可在体外进行20~40倍扩增(注意:这里指的是倍增次数,不是细胞代次。细胞代次在细胞药物开发方面没有太大意义)。此外,应使用化学成分明确的无血清培养基,避免使用动物血清产生相关的免疫反应。最后,研究人员必须确保细胞产品完全没有污染,包括微生物污染。对微生物的检测,始终应贯穿整个细胞制备过程。


间充质干细胞是一种“百变”细胞群,具有各种功能和显著的治疗潜力。然而,在“维护小组”被派往大规模修复受损组织之前,科学家们需要更好地弄清楚这些工作人员所拥有的工具。


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