干細胞技術在皮膚放射損傷中的應用

電離輻射可致皮膚非典型角化引起的干燥脫皮、表皮脫落和血管生成抑制逐漸導致皮膚潰爛，誘導基底膜的急性退行性改變，增加血管的通透性，減少新生血管形成。最后，嚴重輻射灼傷的主要特征是發生不可預測的慢性炎癥，導致皮膚的表面壞死并向深度延伸。

傳統的治療方法主要是手術和常規完善治療，它結合了大的放射性損傷組織切除術與經典的整形外科技術，經典的治療方法源于熱或電燒傷的管理。手術是導致非常高的發病率和殘疾率的最終選擇，切除病灶很難保持穩定，因為與熱燒傷相比，正常組織和放射性損傷組織之間很難界定。此外，每一個操作都會刺激炎癥發展，促進缺血和纖維化過程。嚴重的照射(25 Gy的X射線)可導致皮膚廣泛的壞死，需要重復手術治療。

表皮干細胞在皮膚穩態和傷口修復中發揮重要作用，但是它們的再生能力較弱。因此，開發一種新的治療方法，使用成人干細胞來控制炎癥、加速表皮再植和血管生長，成為受照射后組織再生或修復的重大挑戰。

此前，7名曾在法國(IRSN-Percy聯合醫院)治療的高度輻射受照者接受了局部注射自體間充質干細胞(MSC)，手術切除和皮膚移植。MSC從自體骨髓(BM)抽吸物獲得，體外擴增培養15～17天。 根據傷口動力學的嚴重程度和進展，患者接受2～5次MSC的重復注射。治療過程中發現干細胞注射也與疼痛閾值的下調有關，表明MSC參與局部炎癥控制。總之，我們需要進一步研究開發用于放射性皮膚損傷治療的標準干細胞療法。

1 干細胞

1.1 間充質干細胞(MSC)

幾十年來，使用成體干細胞的細胞療法已經挽救了數千名患者。

骨髓源性造血干細胞治療法首次應用于1956年，用于白血病和淋巴瘤的治療。Friedenstein等人最先提出骨髓間充質干細胞的說法，后來發現，成纖維細胞樣細胞有成體干細胞特性，因為它們可以分化為軟骨、骨、脂肪和肌腱。骨髓間充質干細胞直接分化成這些軟骨、骨、脂肪和肌腱等組織或間接通過蛋白質或細胞因子的分泌和免疫抑制。

間充質干細胞容易從各種組織來源例如骨髓、脂肪、臍帶和其他來源獲得，并且容易分離，可大規模體外擴增，冷凍保存損失少。間充質干細胞靜脈輸入后可全身遷移，特別是在缺氧或組織損傷的區域。

即使全身應用同種異體間充質干細胞也沒有任何副作用，因為它們有免疫調節作用。間充質干細胞有可靠的安全性，移植后尚未顯示腫瘤形成，并且通過廣泛測試已被證明在心血管和神經變性疾病、移植物抗宿主病(GvHD)和自身免疫疾病的臨床前和臨床研究中都是有效的。由于間充質干細胞能夠分化為成骨細胞，早期研究系統性地建立了間充質干細胞移植安全性的良好臨床記錄。因此，高劑量輻射暴露后，注射間充質干細胞可用于治療潰瘍性皮膚病，并可使肌肉恢復。

裸鼠肌肉輻射損傷模型：移植骨髓間充質干細胞后，大多數植入的人類細胞聚集在弱損傷區域。移植后3天，皮膚中可觀察到來自供體的骨髓細胞，接下來的21天中數量不斷增加。已被證實，在這3周期間，可以通過炎癥反應非特異性地募集骨髓細胞。實驗觀察到的骨髓間充質干細胞到皮膚上皮細胞中的定位與先前報道的結果一致：在雄性至雌性小鼠移植模型中，小鼠骨髓間充質干細胞可在皮膚上皮細胞中直接分化。

混合中子輻射非人靈長類動物模型：注入綠色熒光蛋白標記的非人靈長類間充質干細胞的不同組實驗，已經顯示間充質干細胞優先植入再生組織。可能有兩個主要機制：第一種機制是旁分泌效應，通過移植細胞釋放的細胞因子和生長因子引發宿主相關的信號通路影響微環境，增加血管生成，減少細胞凋亡，使細胞外基質重塑(通過β轉化生長因子產生)；第二種機制，臨床證據表明，干擾素γ的T細胞增殖和分泌的抑制作用是由干細胞分泌的前列腺素E2介導的，CD14+單核細胞通過白介素-1β依賴性途徑促進干細胞的免疫抑制作用。

除了間充質干細胞的調節性旁分泌效應，這些細胞支持角質細胞的群體生長和分化。臨床使用人體間充質干細胞可修復意外照射后患者的皮膚損傷。

1.2 脂肪來源基質細胞

骨髓的間充質干細胞成功移植后輻射誘發并發癥的減少，開啟了皮膚放射綜合征治療的新策略。

眾所周知，脂肪干細胞在延遲愈合中的臨床應用有待研究，有可能因此形成一種新的治療方法。脂肪干細胞是多能干細胞的來源，其參與傷口愈合的新血管形成和上皮再生。應用脂肪干細胞促進傷口在生理和病理情況下愈合是新的觀點。

脂肪組織參與廣泛的生理過程，包括凋亡、炎癥、血管生成、凝血、纖維蛋白溶解和血管內穩態。研究表明，來源于脂肪組織的細胞可用于動物模型中的造血、血管形成或骨骼肌恢復。脂肪干細胞的可塑性為再生臨床醫學帶來了新的希望。

脂肪細胞的前體遍及成年生命的體內，并且可以根據生理或病理生理狀況增殖和/或募集。這些細胞的分化導致形態和生物化學變化，細胞變成圓形開始積累甘油和脂質空泡。通常認為前脂肪細胞比成熟脂肪細胞更有利于作為干細胞，因為它們能夠增殖獲得更大的細胞數量，以及分化獲得特異性細胞。

脂肪組織是多能細胞的來源，具有分化成脂肪細胞、軟骨細胞、生肌細胞和雌激素細胞的能力。自體脂肪來源的干細胞(ADSC)可以通過脂肪抽吸或腹部手術獲得。這些細胞也被認為是間充質細胞，因為它們衍生自脂肪組織，脂肪組織又衍生自間充質，類似于骨髓。研究表明，脂肪組織的基質血管細胞有促血管生成前體細胞的能力，與骨髓單核細胞相當。它們能夠分化為內皮細胞并摻入血管中，從而促進新血管形成。

小鼠ADSC脂肪組織還可以在體外自發產生功能性的心肌細胞樣細胞，在急性心肌梗塞模型中存活并分化為造血組織。研究報道，移植的ADSC可以產生和/或支持主要的造血譜系，從而挽救受到致死劑量照射的小鼠。ADSC參與傷口愈合過程的第一部分，因為細胞刺激新血管形成并且促進血管內皮生長因子分泌。ADSC通過膠原分泌改善皮膚質量，分化成角質形成細胞和產生旁分泌因子(KGF)以調節修復皮膚傷口的能力，在輻射條件下加速再生上皮化。

ADSC細胞可以以最小損傷大量獲得，使用微創的脂肪抽吸也容易收獲脂肪組織，這些細胞可以冷凍保存至少6個月，確保以后的臨床應用。這些都使得ADSC更加適合用于皮膚傷口患者的自體細胞治療。

1.3 多能干細胞

研究多能干細胞需要鑒定分化的最佳階段，并證明這些細胞可以在沒有癌癥發生的情況下使用。

同種異體細胞與自體細胞的問題仍然存在。自體細胞更昂貴和更可變，提取和培養時間長限定了不能用于急用。同種異體細胞可提供現成產品，但需要避免排斥反應。

所有這些需通過改進移植物的整合來實現，包括血管形成(動脈管道和微血管系統的生長)的控制，炎癥和瘢痕的形成。

1.4 組織工程

與其他研究領域一樣，有些具體的科學研究領域關注于治理方法。將干細胞用于組織工程應用需要解決許多問題，包括組織采集、細胞分離和細胞培養方法的標準化。收獲組織的方法可以對細胞增殖和分化的能力產生不同影響，從而將可變性引入每個樣品的細胞回收和培養過程中。此外，因為組織工程中干細胞的使用是初期的研究領域，尚未明確細胞一旦在生物材料上培養將如何表現。

組織工程是指體外三維組織的生長，目的是建立更多的生物相關模型用于體外研究或組織的體內再生治療。最常見的涉及使用多孔及可降解生物的支架的細胞接種，其他方法包括將細胞澆鑄成水凝膠或產生僅由細胞和它們分泌的基質組成的不含支架的組織。合成材料在可制造性方面的優點——易于制造，廉價及可重復使用。然而，合成物通常有較差的生物相容性，容易引起異體炎癥反應，有時局部會釋放有毒的降解產物。生物反應器通常用于組織工程中，提供電和機械調節或通過灌注系統將營養物遞送至組織。

經過十多年的研究活動，干細胞科學似乎越來越朝向之前預期的方向發展。臨床試驗已經建立了細胞遞送技術，并且實現了在人體實驗中建立可行性、安全性和早期功效的方案。

2 7例采用手術聯合自體MSC治療成功患者

法國臨床實踐支持使用自體MSC輸注修復受害者在意外照射后的皮膚和潛在的肌肉損傷(IRSN專家共識和法國佩爾西醫院醫療管理共識)。以下是MSC與皮膚移植或手術組合治療應用的7個病例。

患者1于智利(2005年)意外受照射，治療了兩個不同的病變(手和臀部)。患者2在塞內加爾(2006年)意外受照射，患者3在突尼斯意外受照射(2008年)，患者4在厄瓜多爾(2009年)意外受照射，患者5在委內瑞拉(2010年)意外受照射，患者6在加蓬(2010年)意外受照射，患者7是智利(2005年)意外受照射。根據開發的METREPOL分級系統對放射性燒傷的嚴重性進行分級。

根據隨訪結果，其中對于第一個患者隨訪達到7年之久，獲得的臨床結果成功證明干細胞治療具有高度的臨床意義。干細胞注射治療的成功和隨后減少輻射誘發的并發癥，可能在皮膚放射綜合征治療策略方面打開全新的道路。智利病人(智利，2005年)的醫療管理被選為嚴重放射性燒傷醫療管理的臨床原則基礎。在此經驗的基礎上，對于其他6例過度暴露于γ放射源的患者，用的是同樣的創新治療策略——將早期劑量測定引導的病灶切除術和MSC細胞治療相結合。

3 結論和觀點

目前的數據表明，雖然MSC在再生醫學中首先基于其干細胞樣品質和其它特征如其抗增殖和抗炎特性被提出用于治療目的，但近年來，臨床治療使用其他祖細胞的有益效果或不同類型的干細胞的共移植進化，因為內皮或上皮細胞的祖細胞可以被作為皮膚重建的新治療策略。

自從發現各種干細胞群體和隨后的提取和培養用于治療用途的能力，已經對再生損傷組織的潛力進行了大量研究。然而，過去十年表明，將干細胞治療的潛力轉化為實踐并不容易，在這種治療達到其全部潛力之前，需要解決許多問題。

測試使用干細胞作為再生醫學的治療策略的其他研究應該研究人類創傷和其他病理狀況。用于軟組織重建的干細胞組織工程可研究其它材料和策略，即支架/基質、海綿的開發。目前正在研究以增強植入干細胞的募集、存活和長久。如果再生成功，大量的干細胞需要保持存活，分化成完全功能的細胞并駐留在組織中。干細胞通過旁分泌效應發揮作用，通過對供體干細胞和宿主組織之間的分子相互作用可發現這種作用的機制。

本文內容源于IAEA、WHO相關技術叢書。