間充質干細胞在創傷愈合過程中抑制瘢痕形成的作用機制

武艷 張哲 楊嵐 羅海龍 李魯新 袁曉環

[摘要] 瘢痕是皮膚受到嚴重損傷后組織修復的一個必然結果，既影響美觀又損害了皮膚組織的正常功能，其特點是過多的細胞外基質沉積。近年來，研究發現間充質干細胞可以通過免疫調節、中和活性氧、分泌抗纖維化的細胞因子和生長因子、調節成纖維細胞、促進血管再生以及分化為各種皮膚細胞等參與正常的皮膚創傷修復，已達到對皮膚瘢痕抑制和修復的作用。因此，干細胞有可能成為促進皮膚無瘢痕創傷修復的一種新的細胞療法。

[關鍵詞] 間充質干細胞；瘢痕；細胞療法；創傷修復

[中圖分類號] R619.6 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2016）03（c）-0047-04

[Abstract] Scars are a consequence of cutaneous wound healing that can be both unsightly and detrimental to the function of the tissue. Scar tissue is generated by excessive deposition of extracellular matrix. With the fast development of stem cell technology， the cell therapy for the wound repair is of increasing interest to experts and scholars. These cells participate in attenuating inflammation in the wound and reprogramming the resident immune and wound healing cells to favor tissue regeneration and inhibit fibrotic tissue formation. This review identifies specific mechanisms by which mesenchymal stem cells can limit tissue fibrosis and summarizes recent studies where these cells have been used successfully to limit scar formation.

[Key words] Mesenchymal stem cells； Scar； Cell therapy； Wound repair

瘢痕是機體在各種創傷后愈合修復過程的一種必然產物，是各種組織器官修復后均可發生的一種常見并發癥，因此適度的瘢痕形成是機體修復創面正常的表現，但如果過度增生則屬于病理性改變的范疇。在身體的任何部位都可以看到瘢痕的產生，而在臨床最為常見的瘢痕即為皮膚瘢痕，當皮膚組織在受到較重的創傷后，其本身無法達到完全自我修復，導致了瘢痕的形成，使大量的細胞外基質（excess extracellular matrix，ECM）積聚在真皮組織內。皮膚瘢痕形成除妨礙外觀外，還會影響皮膚的正常生理功能，因為在瘢痕組織不具有正常組織內的一些結構包括皮脂腺、毛囊以及神經感覺受體等[1]。另外瘢痕組織本身缺乏彈性，抗拉強度僅為正常組織的80%左右，極易受到二次傷害。在現代社會中，隨著經濟的快速發展和生活水平的持續提高，人們對于自身外貌的要求也更加關心，對治好病理性瘢痕的欲望也更強烈。為此，研究病理性瘢痕課題并進一步促進瘢痕問題的解決也是醫學領域的重要工作以及醫學工作者關注的焦點之一。

隨著干細胞領域相關技術的發展以及對干細胞認識的逐漸深入為解決這一臨床難題帶來了希望，是當今醫學研究最前沿也是最熱門的方向之一，發展迅猛。盡管干細胞技術目前大多還處于基礎研究階段，在轉化醫學的進展中也尚不完善，最重要的影響因素是干細胞研究及其相關技術所涉及的倫理、社會、法律、醫學、神學和道德問題，但因為其自身的許多特性，對于人們認識其自身生長、發育、分化、遺傳等基本生命規律、了解生理病理過程及其基本規律有重大意義，還能為各種難治性人類疾病的治療提供新的策略與新的視角，因此近年來對于干細胞研究幾乎涉及了所有的生命科學和生物醫學領域。目前，在人體內已經發現有多種成體干細胞，如胚胎干細胞、骨髓間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）、脂肪干細胞等等，這些干細胞在細胞治療、基因治療、組織器官移植、藥學研究等許多領域的應用產生了重要的影響，并將再生醫學的全新治療模式引進現代醫學。研究發現，MSCs具有通過促進創傷愈合、抑制瘢痕形成等治療創傷性疾病奠定了基礎[2]。本文將對MSCs促進創傷修復、調節組織功能性再生，以達到抑制瘢痕形成的機制作一綜述。

MSCs是一種起源于中胚層的成體干細胞，存在于骨髓、胚胎、滑膜、脂肪、羊水等多種組織和臟器中，而在骨髓組織中含量最高。由于MSCs的來源廣泛，體外的分離、擴增、培養及鑒定等方法也存在一定的差異，因此，國際細胞治療學會（International Society for Cellular Therapy，ISCT）對于MSCs的界定制訂了3條基本標準[2]：①在MSCs呈貼壁式生長；②表面標志物特征：CD105、CD73和CD90等為陽性，而絕大多數CD45、CD34、CD79a、CD19及人類白細胞DR抗原等陰性；③多向分化潛能：具有成骨、成脂、成軟骨的分化能力。最近的研究發現，MSCs可發揮營養性的功能促進組織再生，如促進血管再生、調節炎性反應等等。在創傷發生時，MSCs能夠及時作出反應，并調節創傷處的細胞及生化分子。MSCs能夠感知來自創傷處的信號，并在遷移到炎癥區域后表達各種各樣的趨化因子受體；其次，MSCs本身對于創傷處各種細胞因子也具有一定的趨化性，包括血小板來源的生長因子（platelet derived growth factor，PDGF）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor 1，IGF-1）以及白介素-8（IL-8）等，這都說明MSCs或者是類似MSCs的細胞如周細胞等會遷移并參與組織損傷修復過程[3]。在動物實驗中也發現，通過尾靜脈移植同種MSCs后，MSCs有能力歸巢至組織損傷部位。在創傷修復過程中，MSCs還能夠調節侵入到損傷部位的白細胞。當MSCs進入炎癥環境后，炎癥因子γ干擾素（interferon γ，IFN-γ）、TNF-α以及轉化生長因子β1（transforming growth factor β1，TGF-β1）等會激活MSCs的免疫調節表型[4]。MSCs調節T細胞的募集、增殖和活性的作用已經被證實，也有證據表明MSCs也能夠抑制B細胞和自然殺傷細胞的增殖，以達到減輕炎癥的作用[3]。通過減輕這些細胞的作用功能來縮短炎癥期，MSCs就可能能夠減輕促纖維化反應。對于MSCs抑制纖維化和瘢痕組織的形成的具體作用機制，在以下部分進行進一步的討論。

1 免疫調節作用

在組織損傷發生后，傷口處炎癥環境直接刺激MSCs發揮其特有的免疫調節作用，包括增強環氧合酶2的活性，上調前列腺素E2（prostaglandin E2，PGE2）等[5]。尤其應注意PGE2的重要作用，在創傷處，MSCs通過抑制IL-2表達[6]以及抑制T細胞有絲分裂和增殖等發揮免疫調節作用，而PGE2則可調節這一過程[7]。同時PGE2也是促進了Th1向Th2的轉化的一個主要因素，并且在效用T細胞的的作用下，可抑制INF-γ表達以及上調了IL-4的表達[8]。而INF-γ與IL-4表達比值的降低與巨噬細胞的激活存在相關性，也促進了創傷愈合過程增殖階段間充質細胞的活性[9]。PGE2與其他免疫細胞相互作用也引起了其他的纖維化效用。在PGE2的影響作用下，T細胞和巨噬細胞開始重新編程并開始表達高濃度的IL-10。在對皮膚無瘢痕修復的研究中發現IL-10參與了此過程，并且發現如果將IL-10敲除后，就無法達到無瘢痕修復的目的[13]，但其過量表達則會明顯抑制瘢痕的形成[14]。那么，IL-10促進無瘢痕愈合的機制是怎樣的呢？IL-10是重要的抗炎因子，可以通過抑制免疫細胞達到抗炎的作用[12]。MSCs抑制中性粒細胞侵入到傷口處，以防止嗜中性粒細胞釋放的活性氧（reactive oxygen species，ROS），進一步引起機體組織氧化損傷；IL-10也可通過直接下調巨噬細胞和T細胞中TGF-β1的表達、重新編碼成纖維細胞、上調基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）的表達、下調膠原的表達促進細胞外基質的重塑以達到纖維化的目的[13]。除此之外，IL-10發揮作用的一個可能因素是通過減少促炎因子IL-6及IL-8的表達來達到抑制膠原過度沉積的目的[10]。由上可見，IL-10在創傷修復的過程中促進傷口從炎癥期向增殖期轉變（因為炎癥是纖維化發生發展過程中起重要因素），從而減少瘢痕的產生。

2 MSCs分泌的一氧化氮中和活性氧

在創傷開始的炎癥期，中性粒細胞分泌膠原過度沉積的增強劑如超氧化物、過氧化氫以及烷基過氧化物等大量的ROS。ROS的主要作用是對膜磷脂產生氧化作用以及通過對TGF-β1的誘導從而促進纖維化的發生。另外，MSCs促使ROS轉變為活性氮分子（reactive nitrogen species，RNS），如過氧硝酸鹽等。RNS也是氧化物和細胞毒素的混合物，但ROS相比較而言其反應緩慢得多，也盡量避免了對DNA和膜磷脂的損傷，從而抑制纖維化的發生[15]。MSCs也可以促進氧化氮合酶的產生，通過改變ROS/RNS的平衡來有效地抑制纖維化組織的形成[16]。

3 MSCs分泌具有抗纖維化生長因子

研究表明，MSCs可分泌各種細胞因子和生長因子，一些因子具有抗纖維化的作用，如肝細胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF）、IL-10以及腎上腺髓質素等[17]。IL-10抗纖維化的作用在上述已有敘述，在此不再贅述。HGF在減輕纖維化以及抑制皮膚瘢痕形成的機制主要包括以下幾個方面：①對成纖維細胞功能的調節：在HGF的存在的情況下，HGF受體通過綁定中和了TGF-β/Smad信號通路的下游的信號級聯反應，抑制了SMAD3蛋白的促炎基因的轉錄因子作用，成纖維細胞下調TGF-β1、Ⅰ型和Ⅲ型膠原的表達；HGF還可以刺激成纖維細胞MMP家族MMP-1、MMP-3及MMP-13表達的上調，促使ECM發生逆轉[18]。②HGF通過促進角化細胞的遷移增殖[19]，并上調血管內皮生長因子A（vascular endothelial growth factor-A，VEGF-A）的表達[20]，促使創傷處生成高質量的并且血運豐富的肉芽組織，促進傷口的上皮化的形成[19]。③HGF抑制各種來源的肌成纖維細胞的分化：HGF可以抑制創傷處的成纖維細胞向肌成纖維細胞分化[21]。肌成纖維細胞可以加速創傷愈合，使傷口面積縮小，有利于損傷皮膚的重新上皮化[1]，但這對于創傷修復來說是非必要的，因為已經有研究表明胎兒的創傷修復并沒有肌成纖維細胞的參與[22]，也不會形成皮膚瘢痕。

4 調節皮膚成纖維細胞的數量及功能

在創傷修復的增殖階段，成纖維細胞的從傷口邊緣遷移到創傷處發揮作用，首先形成肉芽組織，并重塑基質產生新的真皮組織。其他來源的成纖維細胞也發揮同樣的作用。創傷修復中，刺激大量的TGF-β1產生，促使血管內皮細胞向間質細胞轉化即上皮間質轉化（epithelial-to- mesenchymal transition，EMT），而產生新的肌成纖維細胞[23]。當在外界因素的作用下，使炎癥期延長基質無法快速地轉變為肉芽組織，附近的纖維細胞也會遷移到傷口處，當周圍環境TGF-β1和T細胞濃度升高，纖維細胞會迅速的分化為肌成纖維細胞[24]。在創傷修復過程中，皮膚恢復其完整性必須要有成纖維細胞的參與，但是這些成纖維細胞會產生過多的ECM，從而導致瘢痕的產生。在創傷處的MSCs通過分泌的生物活性分子包括HGF、PGE2等可以抑制血管內皮細胞EMT，也可以抑制肌成纖維細胞的分化。另外，在修復過程中，MSCs還可通過旁分泌分泌生物活性因子促進成纖維細胞的功能[25]。以上研究表明，MSCs作用于損傷處的成纖維細胞來調控細胞外基質的產生，使損傷皮膚的修復更接近于正常皮膚。

5 MSCs促進組織的血管再生及血管穩定

任何創傷修復過程包括炎癥階段、上皮形成期、成熟期等都必須依靠新生的毛細血管和結締組織即肉芽組織的增殖和修補來完成，在增殖階段，血管再生可為肉芽組織形成提供營養。在血管系統重塑的過程中，除巨噬細胞及成纖維細胞外，MSCs也會分泌促進血管化的細胞因子包括成纖維細胞生長因子、VEGF-A等，促進微血管內皮細胞的增殖、遷移以及分化[26-27]。另外，MSCs還可通過旁分泌（如分泌腎上腺髓質素等）來促進血管的穩定保護脈管系統[17]。

6 MSCs可分化為各種皮膚細胞

MSCs都具有典型的成骨、成脂及成軟骨的分化能力，這也類似于在創傷部位各種來源的成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化一樣[28]，是一個表型的轉化。最近在組織損傷修復領域中一些相關的研究文獻表明，MSCs可分化為各種皮膚細胞，包括表皮細胞、角化細胞、小血管內皮細胞等[29]，直接參與到表皮和真皮結構再生過程，達到促進皮膚創傷愈合的目的。

盡管MSCs的應用無法復制胚胎式的創傷修復，而使成人的創傷修復達到無瘢痕的完美修復，但它仍然可存在巨大的治療潛能。而在皮膚創面修復愈合過程中，通過抑制皮膚瘢痕的形成達到提高創面愈合質量已成為當前皮膚再生修復研究的新目標，此時，MSCs巨大的治療潛能則成為抑制皮膚瘢痕形成的新策略，為創面修復提供一種新的視角和治療手段。

[參考文獻]

[1] Jackson WM，Nesti LJ，Tuan RS. Mesenchymal stem cell therapy for attenuation of scar formation during wound healing [J]. Stem Cell Res Ther，2012，3（3）：20.

[2] Dominici M，Le Blanc K，Mueller I，et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement [J]. Cytotherapy，2006，8（4）：315-317.

[3] Naaldijk Y，Johnson AA，Ishak S，et al. Migrational changes of mesenchymal stem cells in response to cytokines，growth factors，hypoxia，and aging [J]. Exp Cell Res，2015，338（1）：97-104.

[4] Broekman W，Amatngalim GD，de Mooij-Eijk Y，et al. TNF-α and IL-1β-activated human mesenchymal stromal cells increase airway epithelial wound healing in vitro via activation of the epidermal growth factor receptor [J]. Respir Res，2016，17（1）：3.

[5] Ribeiro A，Laranjeira P，Mendes S，et al. Mesenchymal stem cells from umbilical cord matrix，adipose tissue and bone marrow exhibit different capability to suppress peripheral blood B，natural killer and T cells [J]. Stem Cell Res Ther，2013，4（5）：125.

[6] Benvenuto F，Voci A，Carminati E，et al. Human mesenchymal stem cells target adhesion molecules and receptors involved in T cell extravasation [J]. Stem Cell Res Ther，2015，6（1）：245.

[7] Djouad F，Charbonnier LM，Bouffi C，et al. Mesenchymal stem cells inhibit the differentiation of dendritic cells through an interleukin-6-dependent mechanism [J]. Stem Cells，2007，25（8）：2025-2032.

[8] Zanone MM，Favaro E，Miceli I，et al. Human mesenchymal stem cells modulate cellular immune response to islet antigen glutamic acid decarboxylase in type 1 diabetes [J]. J Clin Endocrinol Metab，2010，95（8）：3788-3797.

[9] Varin A，Gordon S. Alternative activation of macrophages：immune function and cellular biology [J]. Immunobiology，2009，214（7）：630-641.

[10] Shi J，Li J，Guan H，et al. Anti-fibrotic actions of interleukin-10 against hypertrophic scarring by activation of PI3K/AKT and STAT3 signaling pathways in scar-forming fibroblasts [J]. PLoS One，2014，9（5）：e98228.

[11] Gordon A，Kozin ED，Keswani SG，et al. Permissive environment in postnatal wounds induced by adenoviral-mediated over-expression of the anti-inflammatory cytokine interleukin-10 prevents scar formation [J]. Wound Repair Regen，2008，16（1）：70-79.

[12] Sinuani I，Beberashvili I，Averbukh Z，et al. Role of IL-10 in the progression of kidney disease [J]. World J Transplant，2013，3（4）：91-98.

[13] Huang YH，Chen YX，Zhang LJ，et al. Hydrodynamics-based transfection of rat interleukin-10 gene attenuates porcine serum-induced liver fibrosis in rats by inhibiting the activation of hepatic stellate cells [J]. Int J Mol Med，2014，34（3）：677-686.

[14] Poli G. Pathogenesis of liver fibrosis：role of oxidative stress [J]. Mol Aspects Med，2000，21（3）：49-98.

[15] Peng H，Zhuang Y，Harbeck MC，et al. Serine 1179 phosphorylation of endothelial nitric oxide synthase increases superoxide generation and alters cofactor regulation [J]. PLoS One，2015，10（11）：e0142854.

[16] Breikaa RM，Algandaby MM，El-Demerdash E，et al. Multimechanistic antifibrotic effect of biochanin a in rats：implications of proinflammatory and profibrogenic mediators [J]. PLoS One，2013，8（7）：e69276.

[17] Kariminekoo S，Movassaghpour A，Rahimzadeh A，et al. Implications of mesenchymal stem cells in regenerative medicine [J]. Artif Cells Nanomed Biotechnol，2016，13：1-9.

[18] Kajihara I，Jinnin M，Makino T，et al. Overexpression of hepatocyte growth factor receptor in scleroderma dermal fibroblasts is caused by autocrine transforming growth factor β signaling [J]. Biosci Trends，2012，6（3）：136-142.

[19] Bevan D，Gherardi E，Fan TP，et al. Diverse and potent activities of HGF/SF in skin wound repair [J]. J Pathol，2004，203（3）：831-838.

[20] Matsumura A，Kubota T，Taiyoh H，et al. HGF regulates VEGF expression via the c-Met receptor downstream pathways，PI3K/Akt，MAPK and STAT3，in CT26 murine cells [J]. Int J Oncol，2013，42（2）：535-542.

[21] Shukla MN，Rose JL，Ray R，et al. Hepatocyte growth factor inhibits epithelial to myofibroblast transition in lung cells via Smad7 [J]. Am J Respir Cell Mol Biol，2009，40（6）：643-653.

[22] Penn JW，Grobbelaar AO，Rolfe KJ. The role of the TGF-β family in wound healing，burns and scarring：a review [J]. Int J Burns Trauma，2012，2（1）：18-28.

[23] Jun JH，Joo CK. MicroRNA-124 Controls Transforming growth factor β1-induced epithelial- mesenchymal transition in the retinal pigment epithelium by targeting RHOG [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2016，57（1）：12-22.

[24] Thakur S，Viswanadhapalli S，Kopp JB，et al. Activation of AMP-activated protein kinase prevents TGF-β1-induced epithelial-mesenchymal transition and myofibroblast activation [J]. Am J Pathol，2015，185（8）：2168-2180.

[25] Wu Y，Peng Y，Gao D，et al. Mesenchymal stem cells suppress fibroblast proliferation and reduce skin fibrosis through a TGF-β3-dependent activation [J]. Int J Low Extr Wound，2015，14（1）：50-62.

[26] Lin Q，Wang L，Bai Y，et al. Effect of the co-culture of human bone marrow mesenchymal stromal cells with human umbilical vein endothelial cells in vitro [J]. J Recept Signal Transduct Res，2016，36（3）：221-224.

[27] Yamaguchi Y，Kubo T，Murakami T，et al. Bone marrow cells differentiate into wound myofibroblasts and accelerate the healing of wounds with exposed bones when combined with an occlusive dressing [J]. Br J Dermatol，2005，152（4）：616-622.

[28] Saad A，Herrmann SM，Textor SC. Chronic renal ischemia in humans：can cell therapy repair the kidney in occlusive renovascular disease？ [J]. Physiology （Bethesda），2015，30（3）：175-182.

[29] Sasaki M，Abe R，Fujita Y，et al. Mesenchymal stem cells are recruited into wounded skin and contribute to wound repair by transdifferentiation into multiple skin cell type [J]. J Immunol，2008，180（4）：2581-2587.

（收稿日期：2015-12-15 本文編輯：任 念）