間充質干細胞修復放射性皮膚潰瘍機制研究進展

關亞琳 孔豫蘇 汪顯耀 劉忠山

放射療法是治療惡性腫瘤的一種基本方式，輻射引起的皮膚黏膜潰瘍是腫瘤放射療法的常見并發癥。放射性潰瘍是皮膚軟組織在放射性作用下造成的潰瘍，放射性作用于皮膚黏膜及深部組織，潰瘍周圍新生肉芽組織及血管網形成困難，其特征是長期反復發作、劇烈疼痛和具有癌癥發展傾向。現階段對放射性潰瘍的治療多為綜合性的，包括創面的換藥療法、對原發疾病的治療、對癥治療等，外科手術仍為不可或缺的方式，最直接有效的辦法就是植皮或皮瓣修復。皮瓣移植需要創面基底血運豐富、肉芽組織生長良好，并在無感染的條件下才能進行，存在移植皮片、皮瓣壞死的風險，因此尋找一種新型有效的治療方案迫在眉睫。間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSC)是一類中胚層來源的具有自我更新、多向分化潛能、低免疫原性和免疫調節性的細胞，隨著現代醫學的不斷發展和細胞治療領域的持續深入，MSC被認為是多種疾病研究的“種子細胞”，在再生醫學和組織工程中有著廣泛的應用前景，干細胞療法作為新型的治療方案被日益關注。MSC的生物學特征及其在創面治療領域的研究，為放射性潰瘍創面的治療提供了新思路，其在皮膚修復和再生過程中扮演重要角色。現就MSC通過直接分化、旁分泌、細胞間相互作用、與機體微環境相互作用、免疫抑制及免疫調節、外泌體等方面修復放射性潰瘍的可能機制作一綜述。

1 放射性潰瘍的發生機理及難愈機制

皮膚作為直接與外界接觸的器官，具有屏障、吸收、免疫調節、代謝等多種功能。近年來，放射性潰瘍的患者逐漸增多，約占難愈性創面的8.4%。放射性皮膚損傷多于放射治療后2～3周出現，治療結束后1～2個月仍可持續，其損傷嚴重程度主要與放射總劑量、治療時間、射線類型及受累面積有關。放射性潰瘍的形成主要是在惡性腫瘤的放射療法中由X線、γ射線及β射線一次大量放射或小劑量多次反復放射所致，是一種因創面的血管損傷以及成纖維細胞功能障礙形成的一種復合型損傷。

1.1 放射性潰瘍的發生機理 高速的帶電粒子及X射線、γ射線等均可引起電離輻射。輻射可以引起上皮細胞凋亡、大量氧化損傷和纖維細胞因子的釋放。電離輻射可以通過能量傳遞直接作用于細胞，或產生自由基間接作用于生物分子,導致DNA損傷、細胞蛋白變性等。當放射性物質損傷皮膚后，會使皮膚細胞的功能發生障礙、血管的管腔狹窄或閉塞、潰瘍組織缺血壞死，炎癥反應被抑制，造成細胞增殖和合成物質不足、成纖維細胞及新生肉芽組織減少, 使潰瘍具有潛在性和不可逆的進展性。

1.2 放射性潰瘍的難愈機制 創面修復是一個復雜而有序的生物學過程，主要經過炎癥期、增殖期、組織重構3個階段。創面的愈合需要各階段相互配合，大劑量的射線會使皮膚的壞死細胞及凋亡細胞增多，使修復細胞數量減少和功能發生障礙。而放射性潰瘍和一般的燒傷、切割傷等損傷不同，它是由于功能干細胞障礙和缺失，內皮細胞以及表皮細胞發生變化，多種因子參與失調的復雜過程，放射線在使內皮細胞發生改變的同時，也影響了細胞間的聯系，使愈合階段配合失調。其次，電離輻射會破壞DNA螺旋支柱的化學鍵，使DNA發生單鏈或者雙鏈的斷裂，且電離輻射會使化學鍵受到破壞，產生與 DNA、蛋白質和脂質有高度結合活性的活性氧(reactive oxygen species,ROS)，破壞DNA的修復機制，進而導致細胞凋亡和修復過程紊亂。而電離輻射誘導氧化應激導致ROS產生，會直接損傷DNA。Wang等研究認為放射性潰瘍的發生與持續性DNA損傷灶和細胞衰老有關，功能失調的衰老細胞在組織中集聚，以及干細胞增殖能力降低，是導致長期并發癥的原因。潰瘍創面感染、細菌超負荷以及細菌生物膜的形成導致附近組織修復再生能力減弱，進而加劇潰瘍的發展。

2 MSC的來源及特性

干細胞是一類來源豐富，廣泛存在于骨髓、脂肪、臍帶血等組織，具有自我更新能力及多向分化潛能的細胞,是組織工程種子細胞的主要來源。MSC是中胚層來源的一種異質細胞群，在體內分布廣泛，具有免疫抑制、免疫調節及分泌多種生長因子等功能，廣泛應用于難愈性創面修復的研究中。MSC具有一定的抗輻射性，具備電離輻射后對抗放射線使干細胞耗竭的能力，并能保留其干細胞特性。MSC在高輻射劑量下仍能保持其干性，潛在機制可能包括有效的DNA損傷識別和修復、輻射誘導的促生存通路的激活，從而避免細胞凋亡。

MSC被認為是修復放射性皮膚潰瘍創面的新希望。Zheng等研究表明，骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)可以降低轉化生長因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)和前列腺素E(prostaglandin E2,PGE)的表達及增加基質細胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)的表達，減少局部炎癥反應并在炎癥反應初期參與纖維化，促進纖維連接蛋白、上皮細胞轉運來修復創面。在創面修復過程中，BMSCs可以促進成纖維細胞產生SDF-1，從而促進BMSCs向損傷部位遷移。Smith等認為MSC通過旁分泌方式調節成纖維細胞促進創面愈合，并使瘢痕生成減少。Xiao等研究發現人胎兒皮膚源性干細胞在治療大鼠放射性皮膚損傷方面具有很強的創面愈合能力。此外，Osama等研究認為MSC已用于減少和修復輻射引起的正常組織損傷；Shen等發現MSC中的CXC趨化因子受體2(CXC chemokine receptor 2，CXCR2)可加速潰瘍愈合。Liu等研究發現人臍帶間充質干細胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells，Huc-MSCs)對放射性皮膚潰瘍創面的修復有顯著效果，Huc-MSCs可促進相關角蛋白的生長及再上皮化，并推測Huc-MSCs對放射性皮膚潰瘍創面的修復是通過分泌相應生長因子激活PI3K/Akt信號通路實現的。Schmidt等認為MSC可促進再生因子釋放，達到修復放射性口腔潰瘍的目的。MSC通過改變組織微環境的能力可能比它們的直接分化起到的作用更顯著。

3 MSC修復放射性潰瘍的機制

MSC修復放射性潰瘍的機制目前尚未完全明確，現階段認為主要通過直接分化、旁分泌、細胞間相互作用、與機體微環境相互作用、免疫抑制及免疫調節、外泌體等機制進行。

3.1 直接分化作用 MSC是一類具有多項分化潛能的細胞，當皮膚受損時，供體MSC可發揮多向分化潛能，直接分化為表皮細胞、毛囊細胞、血管內皮等多種皮膚細胞修復創面，使皮膚和毛囊組織得以再生，可向結締組織遷移分化，最后發展為成纖維細胞。

3.2 旁分泌作用 MSC應用于皮膚創面后，可分泌生長因子、粒細胞集落刺激因子(colony-stimulating factor，G-CSF)等細胞因子吸引和趨化修復細胞向創面遷移，啟動修復，增加難愈性創面中的成纖維細胞、血管內皮細胞等修復細胞的數量。有研究發現，脂肪干細胞(adipose-derived stem cells，ADSCs)可間接通過旁分泌胰島素樣生長因子(insulin-like growth factors，IGF)、TGF-β1、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)和堿性成纖維細胞生長因子-2(basic fibroblast growth factor-2,bFGF-2)等多種生長因子和抗炎細胞因子，刺激血管形成，激活皮膚的角質形成細胞和成纖維細胞生成，促進創面愈合。

3.3 細胞間的相互作用 注入機體的MSC可促進潰瘍創面處表皮干細胞增殖、分化。當皮膚基底層完整時，基底層表皮干細胞逐漸自下而上脫離壁龕，通過自我增殖分化進行創面修復。當皮膚基底層破壞嚴重時，創面邊緣附屬器內的表皮干細胞向傷口分化、增殖、遷移。MSC促進潰瘍創面產生成纖維細胞，成纖維細胞可作為誘導劑,誘導MSC向上皮細胞分化。

3.4 創面微環境與MSC之間相互影響 MSC可通過直接或間接分泌細胞因子、生長因子和其他旁分泌分子進而影響不同種類的組織損傷再生。創面局部微環境與MSC相互作用后，MSC在創面微環境的影響下直接分泌細胞外基質或直接分化為成纖維細胞參與組織修復，機體內I型膠原基因表達升高。創面微環境可影響MSC的分化方向，MSC也可分泌多種細胞因子改變機體及創面的微環境。MSC修復放射性潰瘍是由MSC和機體微環境共同決定的。

3.5 免疫調節和免疫抑制作用 當潰瘍創面形成后，免疫系統活化產生多種炎性因子貫穿于創面修復的整個過程。但過于強烈的炎性反應不利于創面修復，MSC可以通過免疫調節和免疫抑制作用使創面的炎性反應減弱。Lauren等研究表明MSC可以通過旁分泌的作用減少T細胞增殖，并可分泌多種因子阻止細胞毒性T 細胞增殖和B淋巴細胞分化為漿細胞，阻礙樹突狀細胞的分化、發育、成熟和功能。Diane等發現MSC可以刺激皮膚病變部位的血管化，從而增加氧氣供應，幫助免疫細胞的募集。為輻照小鼠系統性注入MSC治療時，MSC可發揮出巨大的免疫調節特性，減少CD80激活巨噬細胞,降低CD163巨噬細胞在皮膚水平的表達，降低白細胞介素-10和促炎白細胞介素1β的水平。Franquesa等認為MSC具有強大的免疫調節特性,通過影響免疫細胞的增殖分化與免疫系統相互作用。Lee等認為MSC除了抑制T細胞和單核細胞的聚集，其還涉及誘導多種調節性免疫細胞參與免疫體調節，例如調節性T細胞、調節性B細胞、調節性NK細胞和抗原呈遞細胞等。

3.6 外泌體修復作用 外泌體是細胞分泌的一種具有轉運功能的囊泡，是細胞與細胞間傳遞信息、交換物質的重要媒介。MSC可通過外泌體對創面的炎性反應進行調控，促進創面的血管再生、皮膚細胞增殖和再上皮化、膠原重塑和減少瘢痕的生成，從而達到對創面的修復目的。

放射性皮膚潰瘍屬于難治程度較高的一種創面，采用MSC上清液、上清液凍干粉或直接稀釋的干細胞，通過局部涂抹、注射或靜脈輸注等方法，對放射性動物潰瘍模型均有較好的治療效果，但其具體機制仍需進一步證實。供體MSC移植后存活率降低，其治療潛能難以得到充分發揮，如何通過基因修飾等處理方式提高MSC移植后的存活率及治療能力，可能是下一步的研究方向。