尿源性干細胞在醫學實驗研究中的應用進展

李巧利，陳鳳鴻，全坤，封迎芳

(徐州醫科大學，江蘇徐州221000)

尿源性干細胞在醫學實驗研究中的應用進展

李巧利，陳鳳鴻，全坤，封迎芳

(徐州醫科大學，江蘇徐州221000)

尿源性干細胞(USCs)是一種從尿液中提取的新型干細胞，具有良好的增殖活性和多向分化能力，且具有間充質干細胞的各種生物學特性，有望成為組織工程和再生醫學較為理想的細胞來源。目前，USCs在泌尿生殖系統、骨修復重建、血管再生、骨骼肌細胞再生等醫學實驗研究中已得到廣泛應用，體現出重要的潛在臨床價值。

尿源性干細胞；干細胞；組織工程；實驗研究

干細胞是一類具有自我更新、無限增殖能力和多向分化潛能的細胞群，目前已經應用于組織工程和再生醫學領域[1,2]。間充質干細胞是一類非造血的成體干細胞，廣泛存在于器官和結締組織中，能夠發育成硬骨、軟骨、脂肪等組織，并且不會帶來倫理問題[3]。但間充質干細胞來源有限，且會對機體造成一定的創傷。因此，尋找一種新的干細胞來源，對醫學組織工程及再生醫學的開展具有重要意義。尿源性干細胞(USCs)是一種從尿液中提取的新型干細胞，具有間充質干細胞的各種生物學特性，具有良好的增殖活性和多向分化能力，可以自體使用，并可避免倫理問題和免疫排斥問題[4]。此外，USCs還具有取材簡易、資源無限、安全無創、成本低廉等優點，具有廣闊的臨床應用前景，有望成為組織工程和再生醫學較為理想的細胞來源，為細胞替代療法提供了新途徑[5,6]。現將近年來關于USCs的實驗研究及應用現狀進行綜述。

1 USCs的生物學特性

1.1 USCs的表面分子標志物 研究表明，USCs表面表達CD29、CD44、CD54、CD73和CD90等間充質干細胞標志物，而不表達CD34、CD45、CD133等造血干細胞標志物[5,7]。此外，隨著USCs代數的增加，其表面標志物也會有所改變。隨著研究的進展，不斷發現了USCs新的標志物特征，如高表達的CD146，弱表達或不穩定表達的硫酸軟骨素蛋白多糖( NG2)、血小板衍生生長因子受體β(PDGF-rβ)、間充質干細胞表面分子(STRO-1)[6,8,9]。

1.2 USCs的多向分化能力 USCs在相應培養基的誘導下，能誘導成為成骨細胞、脂肪細胞、軟骨細胞、尿路上皮細胞、平滑肌細胞、內皮細胞、骨骼肌細胞、心肌細胞等，并表達相應的細胞表面標志物或特異性蛋白等[10～12]。采用含有轉化生長因子β1(TGF-β1)、血小板衍生生長因子BB( PDGF-BB)和胎牛血清( FBS)的H-DMEM和EFM的混合培養基培養USCs時，可誘導其向平滑肌細胞分化。用含有表皮生長因子(EGF)的DMEM和KSFM的混合培養基培養USCs時，則可誘導其向尿路上皮細胞分化[4]。用含有VEGF的內皮細胞基礎培養基培養USCs[4]，或經病毒轉染使USCs過表達VEGF[13]時，均可誘導USCs向血管內皮細胞分化。用含胰島素-轉鐵蛋白-亞硒酸鹽、EGF、bFGF等成分的DMEM/F12培養基可以將 USCs誘導分化為神經細胞[14]。將USCs植入裸鼠體內后，也能在裸鼠體內分化為尿路上皮、血管內皮、牙齒、膀胱組織等，且具有相應的生理功能和生物學特性[15]。研究表明，與廣泛應用的脂肪干細胞相比，USCs增殖能力強，更易形成菌落，能夠更明顯地表達干細胞的表面標志物，具有強大的免疫抑制作用，更容易向肌源性、神經源性和內皮細胞分化，因此比脂肪干細胞更適宜用于肌肉、神經和內皮組織的重建[16]。USCs具有端粒酶的活性和高度的可擴展性，但是在體內不會誘導畸胎瘤或者腫瘤的產生。

2 USCs在醫學實驗研究中的應用

2.1 在泌尿生殖系統疾病實驗研究中的應用 USCs表達足細胞和間充質干細胞的標志物，在體外適宜媒介的誘導下，可以向膀胱相關的細胞類型分化，包括功能性的尿路上皮細胞和平滑肌細胞，當分化的USCs細胞融合在支架上并移植入裸鼠體內時，尿路上皮和平滑肌組織就形成了。因此，USCs在泌尿生殖系統重建的細胞療法和組織工程中具有潛在的應用價值[5]。USCs的外分泌物可能減少糖尿病大鼠尿量和尿微量白蛋白的排泄，防止足細胞和小管上皮細胞的凋亡，抑制Caspase-3的過表達，并且增加糖尿病大鼠腎小球內皮細胞的增殖。此外，USCs的外分泌物還可促進血管再生和增強細胞的生存能力，其可能的機制是USCs的外泌物中含有多種細胞因子，包括生長因子、TGF-β1、血管生成素和骨成型蛋白7( BMP-7)[17]。與其他的間充質干細胞相比，USCs對膀胱組織的修復具有多種優勢，包括細胞收集簡單、安全、低價、無創；具有端粒酶活性，能夠產生更多的細胞；能夠更高效地分化為平滑肌細胞、尿路上皮細胞和內皮細胞[18]。動物模型已證實，USCs對尿道和膀胱組織重建、應激性尿失禁、糖尿病性勃起功能障礙以及急性腎損傷等泌尿生殖系統疾病都有一定的保護和治療作用。

含有生長因子[包括VEGF、 胰島素樣生長因子1(IGF-1)、成纖維細胞生長因子1(FGF-1)、PDGF、 人類生長因子(HGF)和 神經生長因子(NGF)]的藻酸鹽微珠可以誘導USCs向肌源性細胞分化，增強血管再生和神經支配，刺激體內歸巢細胞的生長，這種方法用于應激性尿失禁的細胞治療可能具有良好效果[11]。研究發現，過表達VEGF的USCs以Ⅰ型膠原凝膠為載體，皮下注射入裸鼠體內，經過一段時間后發現內皮細胞標志物(CD31、vWF)、肌源性細胞標志物生肌決定因子5(myf-5)、肌分化因子與肌間線蛋白(MyoD)、神經細胞標志物(S-100)、膠質纖維酸性蛋白(GFAP)、神經絲蛋白在過表達VEGF的USCs中均顯著增高[19]。過表達VEGF的USCs可促進血管的形成，增強移植細胞的生存能力，招募歸巢細胞且促進USCs向肌圓形細胞類型的分化和神經支配，提示USCs在應激性尿失禁的細胞治療中有重要的潛在臨床價值。USCs的旁分泌作用或FGF-2轉染的USCs對2型糖尿病大鼠的勃起功能障礙有一定的改善作用，其機制是招募歸巢細胞和增加內皮細胞表達以及平滑肌細胞的含量[20]。此外，USCs可以分泌促血管生成生長因子、免疫調節因子，這可能也是促進勃起功能恢復的機制之一。USCs與轉染血小板衍生生長因子(PEDF)的USCs的旁分泌作用可以通過神經保護作用，阻礙海綿體神經損傷誘導的大鼠陰莖勃起障礙、海綿體結構的損傷[21]，使陰莖背神經的神經性一氧化氮合酶(eNOS)陽性的神經纖維數量增加，海綿體組織中細胞凋亡減少。

2.2 在皮膚修復重建實驗研究中的應用 USCs聯合聚已酸內酯/凝膠納米纖維支架可以顯著地促進兔受損的全層皮膚愈合，使傷口愈合更快，并且伴隨著上皮的再生、膠原形成和血管的生成。此外，USCs可通過分泌VEGF和TGF-β1，增強內皮細胞的增殖、遷移和成管能力，從而促進皮膚組織的修復[22]。

2.3 在骨修復重建實驗研究中的應用 硅酸鹽生物陶瓷可以刺激干細胞向成骨細胞分化。研究表明，硅酸鈣可以顯著增強細胞的增殖，提高堿性磷酸酶活性，促進鈣沉積和某些與成骨有關的基因和蛋白的表達[23]。此外，Wnt/β-catenin信號通路抑制劑小豆蔻明能夠減弱硅酸鈣誘導的USCs向成骨細胞分化的刺激作用，表明硅酸鈣促進USCs向成骨細胞分化可能是通過Wnt/β-catenin信號通路介導的。Guan等用USCs作為種子細胞，種在β磷酸三鈣支架上，發現USCs在β磷酸三鈣里依然可以生存和繁殖，通過堿性磷酸酶和鈣含量升高表明，USCs向成骨細胞分化。此外，在體實驗也表明USCs聯合β磷酸三鈣對大鼠大塊的股骨壞死有修復作用，比單獨地使用β磷酸三鈣支架促進骨形成的效果更好[24]。

2.4 在血管再生實驗研究中的應用 Liu等[19]用VEGF誘導分化USCs，然后在體外用Matrigel膠立體培養細胞，發現細胞間可形成管狀網狀結構，并表達內皮細胞特異性蛋白標志物如CD31、血管性血友病因子(vWF)、血管內皮生長因子受體(KDR)、內皮eNOS等，將該細胞皮下植入裸鼠細胞凝膠后，發現VEGF誘導的廣泛血管化現象，且內皮細胞特異性蛋白表達明顯增強，提示過表達VEGF的USCs能夠促進血管形成，并增強移植細胞的生存能力。

2.5 在神經損傷修復實驗研究中的應用 Guan等[8]構建了大鼠腦損傷模型，將采用水凝膠包裹的USCs移植入腦損傷區，發現植入的細胞不僅能在移植部位存活，還具有良好的遷移能力。這些細胞穩定表達神經相關標志物，包括巢蛋白、膠質纖維酸性蛋白、β微管蛋白Ⅲ等，表明在腦損傷微環境下，USCs能夠向神經細胞分化，提示USCs可用于神經系統疾病的治療。

2.6 在骨骼肌細胞再生研究中的應用 USCs在體內和體外都能夠分化成骨骼肌細胞，且表達骨骼肌細胞特異性的蛋白標志物。因此，在骨骼肌的再生療法中可作為一種潛在的細胞來源。Chen[25]等將USCs加入骨骼肌誘導基，發現可誘導USCs分化為骨骼肌細胞，并表達骨骼肌細胞的標志性蛋白myf5、myoD、肌球蛋白和結蛋白，經過myoD染色可見骨骼肌細胞特有的肌管樣形態。將骨骼肌細胞植入裸鼠脛骨前肌能夠繼續增殖，植入部位的組織穩定表達骨骼肌細胞特有的標志物。

2.7 在其他組織實驗研究中的應用 研究發現，USCs對2型糖尿病大鼠的胰島、心肌、腎小球、膀胱逼尿肌有修復和保護作用[26]。Guan等[27]研究發現，利用USCs可誘導分化為心肌細胞的特性，可將USCs用于治療肌營養不良癥。恢復胰島的分泌功能和促進β細胞的再生,被認為是一種新穎的治療2型糖尿病的方法[28]。研究發現，USCs治療糖尿病能夠有效地促進胰島β細胞的生長，減少其死亡，提高糖耐量和胰島素耐受[26]。Cai等[29]將誘導分化的USCs種植到小鼠腎包膜下，3周后觀察到小鼠腎包膜下長出牙齒樣結構，提示USCs可在牙齒的組織再生中有所應用。此外，干細胞的條件培養基也有一定的生物學效應。據文獻報道，間充質干細胞的條件培養基可以減少高糖誘導的足細胞的凋亡和損傷[30]。USCs具有干細胞的特性，即貼壁生長和多向分化能力，同時USCs也表達間充質干細胞特異性表面分子[5,6]，不同劑量的USCs條件培養基能夠減輕足細胞特異性分子突觸極蛋白synaptopodin的下調，抑制足細胞的早期凋亡，表明USCs能夠修復高糖誘導的足細胞損傷，且此修復作用與其旁分泌有關[31]。

3 小結

作為一種新型的干細胞來源，USCs不僅具有能夠有效地分化為足細胞、平滑肌細胞、內皮細胞和尿路上皮細胞的多向分化潛能，還能夠分泌一系列的生長因子和細胞因子，在組織工程和再生醫學有著廣闊的臨床應用前景，尤其是泌尿生殖系統組織的修復。動物模型已經證實USCs對糖尿病性勃起功能障礙、應激性尿失禁、尿道和膀胱組織重建以及急性腎損傷都有一定的保護和治療的作用。

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