臍帶間充質干細胞在疾病中應用的研究進展

曲宏文，張越林

(西安醫學院，陜西 西安)

0 引言

臍帶間充質干細胞(Umbilical CordMesenchymal Stem Cells，UCMSCs) 是存在于新生兒臍帶并在分化過程中來源于中胚層的具有高度自我更新能力和多向分化潛能的多能干細胞[1]。臍帶由三部分構成：羊膜被覆上皮、臍血管和位于兩者之間被稱為華氏膠的黏液結締組織。UCMSCs 存在于華氏膠中的一種成纖維樣細胞，該細胞具有自我更新、增殖和多向分化潛能。它具有明顯的優勢：①成本較低；②來源豐富；③是一種較為原始的干細胞，具有極強的可塑性；④與骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)相比，具有更強的擴增能力；⑤無致瘤性和低免疫原性；⑥與 BMSCs 相比，不會隨著傳代次數增加而導致增殖能力和分化能力下降。

UCMSCs 在體內可以分化為多巴胺能神經元細胞、光敏感感受器神經細胞、內皮細胞、骨骼肌細胞、心肌細胞等。隨著研究的不斷深入，UCMSCs 有望成為組織工程研究中極具潛力的種子細胞[2]。UCMSCs 不表達主要組織相容性復合體Ⅱ類分子 (major histocompatibility complex Ⅱ， MHC Ⅱ) 和共刺激分子(CD40、CD80、CD86)[3]，所以不會引起同種異體免疫反應，是一種最有希望的促進機體修復的外源性干細胞，可以應用于各種組織損傷的修復。本文綜述了人臍帶間充質干細胞(hUCMSCs) 在疾病中的應用研究。

1 人臍帶間充質干細胞在宮內粘連疾病中的治療研究

宮內粘連(Intrauterine adhesion，IUA) 是婦科疾病中最具挑戰性的問題之一，可導致不孕不育、反復流產或月經異常。中到重度的宮腔粘連(IUAs) 可能會導致婦女的生育能力嚴重下降。宮內粘連形成的主要原因是子宮內膜基底層損傷[4]。Yang X 等[5]將hUCMSCs 與受損的胚胎干細胞共培養后，發現血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表達增強，細胞凋亡相關蛋白(半胱氨酸蛋白酶，caspases 3，8 和9)的表達降低，使受損細胞的增殖顯著增加，凋亡率下降。該細胞可作為改善子宮內膜損傷最有希望的治療方法。Xin L 等[6]制備了載有人臍帶間充質干細胞(hUCMSCs) 的膠原支架(Collagen scaffold，CS) 用于治療子宮內膜損傷，CS /hUCMSCs 移植可促進子宮內膜再生和膠原重塑，并能增強雌激素受體α 和孕激素受體的表達，最終子宮內膜接受胚胎的能力得到了改善，從而恢復生育能力。有實驗室研究發現hUCMSCs 移植能減輕子宮內膜損傷引起的過度纖維化，增強子宮內膜細胞增殖和血管重塑，從而修復子宮內膜[7]。在臨床對26 例因復發性IUA 引起不孕癥的患者研究中，將CS /hUCMSCs復合物移植到患者子宮腔中， 30 個月后隨訪顯示：有10 名已經懷孕，其中8 名已經分娩，胎兒沒有明顯的先天性缺陷且分娩患者沒有胎盤并發癥，表明將CS/hUCMSCs 復合物移植到復發性IUA 患者的子宮腔內可以增加受孕的幾率并對胎兒的生長發育不受影響[8]。子宮手術或刮宮術可引起子宮內膜損傷，最終不孕或反復流產，其主要原因是子宮內膜纖維化及瘢痕。Ebrahim N 等[9]建立子宮內膜纖維化模型，向尾靜脈注射hUCMSCs 后，子宮內膜血管內皮生長因子顯著增加，結締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF)、腫瘤壞死因子(Tumor necrosis factor，TNF)、白介素6(interleukin 6 IL-6)水平顯著降低，增強血管的生成和腺細胞增殖，減少了炎癥和纖維化，使粘連的宮腔的恢復通暢。上述研究表明，hUCMSCs 在子宮內膜修復過程中，可促進血管生成，使細胞增殖增加，凋亡減少，增強雌、孕激素受體的表達，最終使受精卵形成，恢復生育能力。

2 人臍帶間充質干細胞在肝膽疾病治療中的研究

肝硬化是由一種或多種原因引起的、以肝組織彌漫性纖維化、假小葉和再生結節為組織學特征的進行性慢性肝病[10]。采用hUCMSCs 移植治療有減輕肝臟損傷、促進肝臟再生、抗肝纖維化和增強肝臟功能的作用。將hUCMSCs 注射給患有結節性肝硬化患者體內，治療后患者肝轉氨酶水平逐漸下降至正常；腹部超聲檢查顯示肝臟圓形結節尺寸減小，脾臟體積也進一步縮小。表明hUCMSCs 移植能減輕肝損傷、恢復肝功能，為肝臟疾病提供了一種新的治療方法[11]。

將自身免疫疾病導致肝硬化的患者外周靜脈注射同種異體hUCMSCs，經過長期隨訪觀察，患者凝血酶原濃度增加，凝血酶原時間(Prothrombin time，PT)降低；總膽紅素的平均值下降；平均血清白蛋白水平、終末期肝病模型(Model for end-stage liver disease ，MELD)評分有所改善[12]。對50 名住院患者靜脈注射hUCMSCs治療失代償性肝硬化，隨訪36 周后，患者Child-Pugh 評分顯著改善，死亡率顯著降低[13]。將hUCMSCs 移植到失代償性的乙型肝炎肝硬化患者體內，hUCMSCs 可以抑制T 細胞和B 細胞的增殖并能抑制T8 細胞的分化，上調調節性T 細胞(regulatory T-cell，Treg)，促進免疫抑制細胞因子的分泌，減少炎性細胞因子的產生，最終減輕肝臟炎癥反應和肝細胞損傷，避免肝臟衰竭[14]。hUCMSCs 可通過抑制miR-199，激活角質形成細胞生長因子(keratinocyte growth factor，KGF) 從而降低了門脈高壓和鈉水潴留，減緩肝硬化的發展[15]。以上對肝硬化患者進行hUCMSCs治療研究后，患者肝功能指標明顯改善，但都是小樣本臨床試驗，需要進行長期隨訪的大型隨機對照試驗，來得出hUCMSCs 對于肝硬化的療效和安全性。

肝纖維化是一個病理生理過程，是指由各種致病因子所致肝內膠原蛋白過度沉積，結締組織異常增生。肝臟損傷后，在肝臟修復愈合中都有肝纖維化的過程，持續的炎癥刺激是肝纖維化發生和維持過程中最關鍵的因素[16]。在二甲基亞硝胺(dimethylnitrosamine ，DMN)誘導的肝纖維化模型中，hUCMSCs可以在體外和體內增加IL-4 并促進庫普弗細胞(Kupffer cells，KCs)的動員，從而減輕肝纖維化[17]。在CCl4 誘導的大鼠肝纖維化模型中，輸注的hUCMSCs 可以在體內分化成肝細胞，改善了轉氨酶水平及肝的合成功能并逆轉了肝纖維化，表明hUCMSCs 是治療肝纖維化一種手段[18]。Cui H 等[19]用淫羊藿苷(Icariin，ICA)預處理hUCMSCs，移植到肝纖維化模型中，可降低了肝細胞凋亡，減輕肝損傷，并能增強抗氧化能力、預防肝纖維化發展、促進肝細胞再生。

原發性膽汁性膽管炎(Primary biliary cholangitis，PBC) 是一種慢性膽汁淤積性自身免疫性肝病，其特征是肝內中小型膽管緩慢進行性破壞，未經治療將導致終末期膽汁性肝硬化[20]，臨床治療效果不佳，隨后有學者把hUCMSCs 通過靜脈注射給原發性膽汁性膽管炎小鼠中，hUCMSCs 可以顯著抑制CD4+ T 細胞的增殖并抑制Th1 和Th17 細胞的分化，從而顯著改善肝臟炎癥[21]。

當前干細胞治療肝臟疾病的研究取得了一定的治療效果，反應肝功能的各項生化指標均有所改善，未見嚴重的不良反應，安全性也較好。也有研究人員將干細胞和肝細胞共培養，能夠提高肝細胞的功能和存活時間，為今后異體肝細胞移植提供了研究方向[22]。

3 人臍帶間充質干細胞在心肌梗死中的研究

急性心肌梗死(acute myocardial infarction ，AMI)可引起心肌細胞大量死亡或者凋亡。有報道表明hUCMSCs 治療可以減少心肌細胞凋亡和纖維化，改善心室重構，增加缺血性心肌損傷區的血管密度。將Akt 基因在hUCMSCs 細胞中過表達，收集人臍帶間充質干細胞外泌體(hUCMSCs-Exosomes，hUCMSCs-Exo)，發現該外泌體可通過上調血小板衍生因子D(platelet-derived growth factor D，PDGF-D) 促進的血管形成，從而對心肌梗塞有顯著的治療作用[23]。Han C 等也將hUCMSCs-Exo 注射到大鼠急性心肌梗塞模型中，UCMSCs-Exo 可以減少炎癥、纖維化和細胞凋亡并通過促進血管生成來改善心肌功能，表明hUCMSCs-Exo 是心血管疾病的潛在療法[24]。既往研究發現將hUCMSCs-Exo 移植到AMI 大鼠中，hUCMSCs-Exo 可通過抑制miR-125b-5p 促進Smad 蛋白同源物7(mothers against decapentaplegic homolog 7，Smad7)表達以促進心肌修復；用脂多糖(Lipopolysaccharides，LPS) 刺激成纖維細胞生成而獲得帶有炎性環境的該模型中可增加梗塞區域中肌成纖維細胞的密度，促進成纖維細胞至肌成纖維細胞分化，減弱炎癥反應，保護心肌細胞[25-26]。以上研究表明干細胞外泌體可以通過分泌細胞因子介導信號，有促進血管生成、抑制纖維化、減少炎癥，縮小梗死區面積的作用。在AMI 大鼠中注射hUCMSCs，也可通過提高冠狀動脈VEGF 的表達促進血管新生，減少IL-6 來抑制炎癥反應[27]。Peng Y 等[28]通過靜脈注射hUCMSCs 到AMI 模型中，hUCMSCs 可通過刺激心內和心外巨噬細胞亞型M1/M2 的轉化，降低梗死心肌炎癥細胞浸潤，也能降低血清IL-6 和半乳糖凝集素-3，從而保護梗塞心肌和減少炎癥反應。Liu CB 等[29]結果表明在慢性心肌缺血的豬模型中，hUCMSCs 移植可改善左心室功能、灌注情況和心肌重塑。動物實驗表明，hUCMSCs 移植治療可以降低炎癥，保護受損心肌。而在臨床中治療急性心肌梗死心臟射血分數也顯著改善[30]。

4 人臍帶間充質干細胞在腎臟疾病的應用研究

急性腎損傷(acute kidney injury，AKI) 是一種臨床常見的急性疾病，主要的誘發因素有創傷、癌癥化療和造影劑，它的臨床表現是：早期腎功能下降，后期為急性腎功能衰竭。主要病理改變為腎小管上皮細胞的壞死。對于AKI 患者除了早期預防和支持性治療，目前仍沒有有效的治療方法。而干細胞治療是可以提供治療AKI 的新策略，有可能比藥物治療更有效。Guo Q 等通過微動脈夾夾住兩側腎蒂50 分鐘以誘導AKI 的小鼠模型，聯合注射UCMSCs 和VitE 后，AKI 小鼠腎臟抗炎細胞因子表達水平升高，促炎因子表達水平降低，腎臟中的炎癥反應受到抑制，腎臟損傷程度減輕[31]。Rahyussalim AJ 等對一例診斷為慢性腎功能衰竭的62 歲女性患者，經hUCMSCs 植入8 個月后，肌酐水平由11mg/dl 降至2mg/dl，實驗結果表明hUCMSCs 可以顯著改善患者腎功能[32]。在順鉑誘導AKI 24 小時后，移植hUCMSCs 可增加腎內Treg 細胞浸潤，從而減輕腎臟損傷，表現為血尿素氮(BUN)降低，腎小管損傷評分降低。而72 小時移植hUCMSCs 則沒有阻止AKI進展，表明治療AKI 要盡早盡快[33]。Li W 等[34]采用Cui H[19]同樣的方法，用ICA 預處理hUCMSCs，移植大鼠后可減輕慢性腎衰竭(chronic renal failure，CRF)的氧化損傷和炎癥反應，促進生長因子的表達，保護受損的腎組織，進而改善CRF 大鼠的腎功能。然而在胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1 ，IGF-1) 修飾的hUCMSCs 治療AKI 大鼠，過表達IGF-1 的hUCMSCs具有更好的抗氧化、抗炎作用和細胞遷移能力，使AKI 大鼠生化指標恢復較明顯[35]。

5 人臍帶間充質干細胞在腦創傷的治療研究

在世界上創傷性腦損傷(Traumatic Brain Injury ，TBI) 是導致腦損傷的主要原因，它具有很高的死亡率和致殘率，臨床上治療效果有限， TBI 后的神經修復仍然是一個具有挑戰性的臨床問題。最近大量研究表明移植hUCMSCs 對TBI 后的神經修復具有相當大的治療潛力。在TBI 1 天后注射hUCMSCs，使用定量PCR (quantitative real-time PCR，qPCR)分析72 小時后同側頂葉皮質中84 個mRNA 的表達水平，其中有11 個基因同時受到TBI和hUCMSCs 治療的影響，hUCMSCs 治療顯著抑制8 個促炎/ 神經退行性基因并同時增強3 個抗炎/ 抗神經退行性基因。因此，hUCMSCs 似乎調節頂葉細胞因子和趨化因子基因譜作為神經損傷恢復的基礎，進而減輕TBI 大鼠的神經損傷[36]。在TBI 之后基質細胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1，SDF-1)表達增加并且可能通過SDF-1 / CXC 亞家族受體4(cysteine X cysteine receptor 4 ，CXCR4) 軸調節hUCMSC 的遷移，促進神經再生和降低細胞凋亡進而使神經功能得到恢復[37]。組蛋白去乙酰化酶1(Histone deacetylase 1，HDAC1)是一類使組蛋白去乙酰化的酶，可與帶負電荷的DNA 緊密結合，從而抑制基因的轉錄。通過沉默hUCMSCs 的HDAC1，然后將hUCMSCs 移植到TBI 小鼠模型的海馬組織中，可以顯著改善模型動物的神經功能、增強神經發生、減少神經細胞凋亡[38]。hUCMSCs 在動物模型研究中可分泌抑制致炎因子、增強抗炎因子，減輕炎癥及神經損傷，還可以通過促進神經細胞的再生，從而改善TBI。通過尾靜脈移植hUCMSCs 聯合高壓氧(hyperbaric oxygen，HBO)治療大鼠TBI 模型，高壓氧治療可促進hUCMSCs 增殖分化，并在促進神經功能恢復、重建損傷腦組織局部微環境方面具有協同作用，最終大鼠TBI 模型的神經功能顯著改善[39]。在臨床治療中，給予神經功能嚴重缺陷和常規治療無效的患者蛛網膜下腔注入hUCMSCs，可以修復受損組織和改善神經功能[40]。另外，hUCMSCs 移植減輕TBI 誘導的腦水腫，減少病變體積，改善神經功能，并促進記憶和認知恢復[41]。以上研究表明hUCMSCs 移植可以促進神經細胞再生，減輕炎癥反應，減少TBI 誘導的腦損傷。

6 人臍帶間充質干細胞在肺臟疾病治療中的研究

支氣管肺發育不良(bronchopulplasia dysplasia，BPD) 是早產兒發生的一種慢性肺部疾病，是長期呼吸及神經發育障礙最終導致嬰兒死亡的主要原因。干細胞可能是治療目前具有復雜病因( 如BPD) 的新生兒疾病的下一個突破。Kim YE 等通過對BPD 小鼠氣管內移植hUCMSCs，該細胞通過下調甲酰肽受體1(Formyl peptide receptor 1，FPR1) 來減輕肺部炎癥和損傷[42]。在其它實驗室的研究結果也表明hUCMSCs 可抑制肺彈性蛋白酶活性，減少BPD 大鼠肺內異常彈性蛋白的表達和沉積[43]。

放射性肺損傷(radiation-induced lung injury，RILI)是因腫瘤經全身放療或胸部放療后一種常見的并發癥，包括早期放射性肺炎和晚期放射性肺纖維化。盡管有許多潛在的治療方法，但RILI仍然預后不良，死亡率高。hUCMSCs 具有多能性分化能力，免疫調節功能和旁分泌的特點給人們帶來了RILI 治療的希望。將hUCMSCs 移植比格犬的RILI 模型中，實驗結果表明hUCMSCs 可以減少氧化應激和炎癥反應以及激活TGF-β-Smad2/3 通路，從而減輕肺損傷[44]。將過表達CXCR4 的hUCMSCs 注入RILI 小鼠體內，能改善肺組織病理學特征，降低放射誘導的SDF-1，轉化生長因子β1(transforming growth factor beat，TGF-β1)，α 平滑肌肌動蛋白(α-smooth-muscle actin，α-SMA)和I 型膠原蛋白的表達，提高E- 鈣粘蛋白(E-cadherin) 表達，從而減輕肺部損傷[45]。在脂多糖誘導的急性肺損傷(ALI)小鼠模型中，通過hUCMSCs 的移植，可降低肺水腫，提高抗炎因子表達，抑制炎癥因子的表達，減少炎癥細胞浸潤，促進肺組織的修復[46]。在卵清蛋白(ovalbumin，OVA) 誘導的過敏性哮喘小鼠模型中，氣管內移植hUCMSCs 后，支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid ，BALF)中白細胞總數、肥大細胞及Th17 細胞比例較未治療小鼠顯著降低，肺組織中的IL-6 mRNA 和TGF-β mRNA 相對表達量也顯著降低，其機制可能是通過抑制Th17 細胞以及下調炎癥因子的分泌，從而顯著抑制OVA 誘導的哮喘小鼠的氣道炎癥[47]。在當前在眾多肺部疾病中，hUCMSCs 都已經進行了基礎研究，但是肺組織結構復雜，功能具有不可替代性，干細胞療法只能減輕肺部損傷，而不能完全替代受損組織達到功能改善，由此怎樣修復肺組織，恢復肺功能成為干細胞研究重點。

7 總結和討論

UCMSCs 作為一種干細胞，具有很多其他干細胞不具備的有點，其來源廣泛且易于分離獲得，而且在不喪失其特性的情況下，還有能長期存活的能力。然而，除了中胚層譜系外，它們還具有轉分化為外胚層和內胚層譜系的能力。此外，UCMSCs 還具有一定的免疫調節功能，可分泌一定的細胞因子和免疫相關受體來調節宿主的免疫環境。UCMSCs 的這些特性使其區別于其它干細胞，并可用于未來的細胞替代治療。

但在大規模應用UCMSCs 前仍有許多問題需要解決。首先，應該解決UCMSCs 的安全性問題，因為UCMSCs 給藥后，觀察到的絕大多數不良反應比較輕微，但最嚴重的是長期培養的UCMSCs 不幸地促進了腫瘤的生長和轉移。其次，質量控制：在直接將UCMSCs 應用于體內移植之前，需要進行額外的試驗，如細胞存活率、內毒素測定和致癌試驗。根據疾病的嚴重程度，需要確定最佳劑量和特定的輸入時間。第三，也是最重要的是臍帶間充質干細胞的臨床級生產，因為臍帶間充質干細胞的臨床應用需要大量的細胞，體外擴增對其至關重要，但較高傳代的臍帶間充質干細胞可能導致細胞轉化，因此體外培養時維持其干細胞特性十分重要。綜上所述，雖然UCMSCs 是最受歡迎的干細胞，但在UCMSCs用于細胞治療的大規模臨床應用之前，有必要完全了解調控和調節這些UCMSCs 的潛在機制，然而有利于在臨床上的廣泛應用。