骨骼肌衛星細胞在組織工程與運動損傷修復中的應用

鄧啟烈 莫偉彬

(廣西師范大學體育學院，廣西 桂林 541004)

從骨骼肌的發生上看，骨骼肌纖維是一種終末分化的細胞類型，由胚胎的生肌節和各處的間充質細胞分化而成〔1〕。而成熟的骨骼肌細胞屬于一種有絲分裂后細胞，不能進行有絲分裂。在成年動物骨骼肌纖維與基膜之間，有一種體積較小的扁平或立方形細胞，排列在肌纖維表面，稱為肌衛星細胞(MSC)。MSC是具有增殖和自我更新能力的成肌前體細胞或單能成肌干細胞,自被發現以來,這種組織特異的祖細胞在組織工程、基因治療、運動醫學等領域展示了良好的應用前景。本文圍繞MSC在組織工程與運動創傷修復中的應用作一綜述。

1 概述

1.1MSC來源 目前有兩種假說，一是體節來源假說，二是非體節來源假說〔2〕，目前認為MSC起源于胚胎血管祖細胞。此外，還有研究表明將骨髓干細胞衍生的成肌細胞注入靜脈,發現其也參與骨骼肌的再生，其研究證明骨髓干細胞衍生的成肌細胞產生的功能與MSC功能特征相似〔3，4〕。衛星細胞是處于骨骼肌基膜和基底膜之間，能夠增殖分化潛能的肌源性干細胞，是出生后能夠使骨骼肌生長、修復和維持的單能成肌干細胞〔1〕。當肌纖維在體育運動中受到損傷或負重牽拉刺激時，衛星細胞就被激活，進而增生、分化，融合成新的骨骼肌纖維，以修復運動受損時的骨骼肌。

1.2MSC的激活與分化潛能 MSC在一般情況下，只能在電子顯微鏡下才能清楚地看到。在靜息狀態時衛星細胞的細胞器處于較低的狀態，細胞核也較相鄰的肌管細胞較小，其異染色質的量比較高。當衛星細胞受到刺激被激活后,其細胞將出現腫脹，細胞一極或其兩極形成細胞質延伸和突起，其形態能夠在安靜時的小圓形產生激活、形成增殖后的梭形細胞,并具有異染色質量下降、有絲分裂活動增加、質核比率上升和細胞內細胞器數量也隨之增加〔5〕。而骨骼肌肌肉組織中的成肌細胞則是以MSC的形式而存在。關于MSC激活信號通路目前已有研究證實了在肝細胞生長因子(HGF)和一氧化氮(NO)中起關鍵作用〔6〕。其研究的結果主要是通過細胞培養技術、機械牽拉衛星細胞或骨骼肌，HGF快速從其儲存的部位細胞外基質釋放并且與衛星細胞表面受體HGF受體(c-met)結合，從而能夠激活衛星細胞〔7，8〕。此后的研究還發現，HGF的釋放依賴衛星細胞或肌纖維上的神經元型NO合酶(NOS)生成的NO，NO通過上調基質金屬蛋白酶(MMPs)活性介導了HGF釋放〔9〕。最近的研究還證實，運動訓練導致的骨骼肌質量和肌細胞核的增加同時伴隨著衛星細胞數目和激活狀態的上升〔10，11〕。由于MSC屬于組織干細胞，具有較強的增殖分化能力，其正常的分化過程為：首先分化為成肌細胞；然后成肌細胞逐漸平行排列，互相融合在一起，逐步形成細胞核在中央，而肌絲則在周邊的肌管；隨著分化潛能的深入，肌絲在不斷生長的同時漸漸形成肌原纖維，細胞核則逐漸向周邊靠，從而形成肌纖維。在體外培養條件下，則可以通過降低培養基中動物血清的含量來實現〔12，13〕。MSC的激活與分化潛能對肌肉損傷的修復、延遲或逆轉衰老極都具有重要作用。因此，需要對如何增多衛星細胞的數量還有待深入研究，還要探索何種策略能有效地激活和分化衛星細胞的潛能。

2 MSC的應用

2.1MSC在組織工程中的應用

2.1.1MSC對失神經骨骼肌萎縮的應用 肌衛星細胞作為肌組織工程的種子細胞來修復骨骼肌萎縮肌肉，以恢復肌肉動力的功能具有實用價值和廣闊的前景。目前對肌衛星細胞的體外培養及增殖較廣泛，但將肌衛星細胞移植到體內的成肌效應的實驗研究較少。Carlson等〔14〕通過采用骨骼肌移植的方法，將骨骼肌再生和神經再支配兩者結合在一起，使長時間失神經支配的骨骼肌在神經修復后的療效有所提高。Murry等〔15〕研究表明，用培養的肌衛星細胞移植修復發生梗死的心肌細胞的治療取得較好的成效。Irintcher等〔16〕等研究表明，用培養好的肌衛星細胞移植入到凍傷的骨骼肌中，對改善肌肉功能起到很大的作用。Rodrigues等〔17〕對失神經支配骨骼肌中肌衛星細胞數量變化研究后認為，長期失神經支配導致的肌衛星細胞庫的耗竭，產生不可逆肌萎縮。Carlson等〔14〕再進一步研究表明，成年MSC異體移植對維持失神經骨骼肌的濕重、肌纖維橫截面積及肌張力能明顯起到延緩骨骼肌的萎縮進程。因此，肌衛星細胞移植到失神經骨骼肌內進行深入研究，能為臨床上神經再生后肌肉運動功能的恢復提供有效的途徑。

2.1.2MSC對遺傳性肌病的基因的應用 MSC移植較早用于杜興肌營養不良癥(DMD)的遺傳性肌病的基因治療〔4〕,其DMD患者主要是由于肌細胞缺少編碼dystrophin膜下蛋白的基因,致使其細胞膜不穩定,最終導致骨骼肌肌纖維壞死,患者最終死于呼吸衰竭。Moritz等〔18〕通過對MDX小鼠身體上進行了大量的肌衛星細胞移植治療MDX的動物實驗,結果發現,將正常肌衛星細胞移植到肌營養不良癥小鼠的骨骼肌肉組織后,能與肌纖維融合,形成雜交肌纖維。并且對dystrophin進行特異性免疫組織化學染色發現，正常肌衛星細胞能與 MDX小鼠的肌纖維融合并表達其基因產物 dystrophin。Law等將肌衛星細胞移植應用于臨床治療DMD病人時發現，肌衛星細胞移植療效受到免疫排斥反應，肌衛星細胞一旦融入肌纖維中，其Ⅰ類主要組織相容性復合體(MHC-Ⅰ)抗原就不表達。Jam等〔19〕對肌衛星細胞進一步純化發現，純化所培養的MSC可以減少宿主免疫系統對移植細胞的攻擊。因此,對MHC-Ⅰ陰性肌衛星細胞移植進行深入的研究，是治療遺傳性肌病的有效途徑。

2.2MSC在運動創傷修復中的應用 關于MSC在運動訓練中的研究并不多，但MSC在運動訓練中受到某種刺激而被激活，并使之增殖甚至向成肌細胞分化已經在諸多的人體實驗和動物模型中得到證實。MSC對運動產生的肌纖維損傷,對局部性壞死骨骼肌進行修復、再生，這種修復反應一般是在離心運動肌肉拉長收縮后因肌纖維易受損傷而更容易觀察到〔20，21〕。Kadi等〔22，23〕對多年訓練的優秀舉重運動員斜方肌衛星細胞進行了研究發現，其斜方肌衛星細胞較對照人群高出70%，而服用合成類固醇對增加MSC的數目是有限的。Floss等〔24〕研究發現，在運動訓練中骨骼肌受到損傷后，主要是NO和HGF大量釋放,而HGF受到NO活化作用下與衛星細胞膜上的HGF受體c-Met結合,從而使細胞增殖的信號傳導通路被激活，致使衛星細胞與周圍組織的黏附狀態受到改變，使受傷的骨骼肌得到修復。Conboy等〔25，26〕研究發現，骨骼肌受到牽拉或運動刺激損傷后,Notch配體的表達隨MSC的活化而表達量有所上升，Notch配體與靜息的衛星細胞表面Notch 受體結合,使衛星細胞成肌轉錄因子被激活,使衛星細胞增殖分化，有利于骨骼肌損傷的修復。在大強度負荷的訓練和刺激導致骨骼肌微細損傷后，由于局部生長因子和細胞因子的釋放增多，引起免疫應答反應,巨噬細胞迅速進入損傷部位,一方面清除可能壞死的肌纖維,另一方面分泌各種炎性因子和生長因子激活衛星細胞,促進其活化增殖、遷移、分化及融合到鄰近的肌纖維,調節骨骼肌生長〔27〕。Ferrari等〔28〕認為肌肉損傷區衛星細胞的增殖分化是達到損傷修復目的的主要途徑。向崢等〔29〕研究發現，胰島素樣生長因子-Ⅰ對運動性骨骼肌損傷后的衛星細胞再生有促進作用。邸勇等〔30〕對蛇毒誘導損傷后研究發現，損傷肌管和吞噬細胞中局部釋放的生長因子，能夠使MSC遷移到受損部位,并使肌衛星細胞在損傷部位廣泛增殖，致使損傷的骨骼肌組織在損傷后的10 d內可以基本恢復。Bowers等〔31〕研究還發現,在肌纖維修復過程中,不僅可以使壞死部位的衛星細胞參與修復反應,而且整根肌纖維的衛星細胞移行到壞死部位參與修復過程,同時使壞死纖維周圍正常肌纖維的肌衛星細胞也會移行到壞死部位參與修復反應。2001年美國運動醫學大學年會指出〔32〕MSC和生長因子在骨骼肌的生長、發育、訓練適應和損傷、移植中具有非常重要的作用。因此，研究MSC在運動創傷修復中的應用，具有重要的作用。

3 總結與展望

關于MSC的研究改變了人類治療疾病的傳統觀點,現在在醫學上人們已經利用MSC移植治療心肌梗死、遺傳性肌病的基因、失神經骨骼肌萎縮和運動損傷中的修復等疾病，并且取得了很好的效果，大量研究也揭示了肌衛星細胞在骨骼肌生長、修復和再生中的重要作用，但MSC從靜止到激活、增殖直到終末分化狀態的基因表達特性及其骨骼肌衛星細胞在運動訓練中其分子調控機制和信號通路還有待進一步研究。

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