江湖論劍：MSC的功能特性和臨床挑戰(zhàn)
路在腳下延伸，每前進(jìn)一步都距離真理更近一步。溫故而知新，今天了解一下關(guān)于MSCs的功能特性和臨床挑戰(zhàn)！這些都是值得思考的問題。
撰文：東海先生
首發(fā)：間充質(zhì)干細(xì)胞
間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）在臨床上的應(yīng)用越來越受到重視。然而，目前臨床試驗的絕大多數(shù)結(jié)果都不能滿足醫(yī)療需求。與胚胎干細(xì)胞以及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞和造血干細(xì)胞不同，MSC具有自己獨特的功能特征。因此，與治療相關(guān)的MSC生物學(xué)特性的一些問題需要在未來的臨床應(yīng)用中進(jìn)行深入探討。
在這一視角下，我們重點研究了MSC的基本和重要的生物學(xué)特性，然后分析了MSC的臨床應(yīng)用。我們試圖為MSC治療策略的優(yōu)化提供合理的解釋，以改進(jìn)治療。
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MSC的功能性
基于三個功能特性：體外具有多項分化潛能、免疫調(diào)節(jié)作用（低免疫原性）、促進(jìn)組織器官的修復(fù)，MSC備受臨床醫(yī)生和科學(xué)家的關(guān)注。
近的20年涌現(xiàn)出了大量的基礎(chǔ)研究和臨床研究的科研成果，歐盟、日本、加拿大、新西蘭、韓國、我國臺灣等國家地區(qū)都批準(zhǔn)MSC為干細(xì)胞藥品上市。干細(xì)胞療法曾被視為萬能藥（cure-all）[1]。理論上, 胚胎干細(xì)胞（ESC）和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS）可能是萬能藥，但是MSC肯定不是。然而，由于細(xì)胞生物學(xué)和傳統(tǒng)藥理學(xué)之間的差異，MSC作為藥物面臨著巨大的臨床挑戰(zhàn)，必須在臨床上證明自己的療效[2]。近，一篇綜述討論了培養(yǎng)基、細(xì)胞來源、培養(yǎng)環(huán)境和存儲方式的選擇對MSC產(chǎn)品的表型和臨床用途的影響，明確提出細(xì)胞質(zhì)量和細(xì)胞數(shù)量是MSC臨床應(yīng)用的兩大關(guān)鍵因素[3]。
本文結(jié)合MSC的功能特性，深入分析MSC療法的機(jī)理和可能影響因素，試圖為MSC治療策略的優(yōu)化提供合理的解釋，以改進(jìn)治療。
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MSC的異質(zhì)性
MSC存在于多種組織中，包括骨髓（BM）、脂肪（AD）、臍帶血（UBC）、臍帶（UC）、羊膜（AM）和牙髓（DP）?；旧?，來自不同組織來源的MSCs共享相同的細(xì)胞表面標(biāo)記[4]和三項分化能力[5]。雖然它們具有相同的基本功能特征，但它們之間的功能強(qiáng)度仍存在差異，如細(xì)胞大小、增殖潛能、分泌的細(xì)胞因子和免疫抑制能力。
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MSC的衰老
MSC在長期培養(yǎng)過程中出現(xiàn)衰老，隨后改變其代謝特征[28, 48]，這種代謝特征的改變與線粒體融合和裂變事件相關(guān)[28, 49, 50]。復(fù)制次數(shù)的增多，常常伴隨著衰老過程中的遺傳損傷的積累增多[51]，減弱了干細(xì)胞的可用性和功能[52]。需要注意的是，因為接種起始MSC細(xì)胞濃度不一樣，即使經(jīng)過相同的擴(kuò)增代數(shù)，細(xì)胞的復(fù)制周期是不一致的。復(fù)制性衰老與復(fù)制周期相關(guān)，而和代數(shù)的關(guān)系沒那么大。細(xì)胞核型分析顯示，骨髓MSC在第18代時發(fā)生染色體異常和端粒酶縮短[53]，而臍帶MSC在30代之前保持染色體穩(wěn)定[54]。然而，也有研究顯示人類MSC似乎是遺傳穩(wěn)定的，在長期培養(yǎng)后沒有顯示染色體異常，并且不具有致瘤性[53, 55]。有趣的是，由天然修復(fù)蛋白質(zhì)組成的血小板裂解物能支持人骨髓MSC的長期培養(yǎng)擴(kuò)增，具有穩(wěn)定染色體的作用[56]。
經(jīng)過長期的細(xì)胞培養(yǎng)，骨髓MSC出現(xiàn)復(fù)制性衰老的表現(xiàn)是低增殖率，衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶出現(xiàn)高活性，DNA修復(fù)和抗氧化能力降低，p53和p16的表達(dá)增強(qiáng)[57]。p16INK4a的表達(dá)和β-半乳糖苷酶的活性與細(xì)胞面積有很強(qiáng)的相關(guān)性，第5代的人骨髓MSC的面積是第1代的4.8倍[58]。這些發(fā)現(xiàn)可用于開發(fā)基于非侵入性成像的新方法，以篩選和定量臨床級細(xì)胞培養(yǎng)中的老化[58]。然而，另一項實驗表明，p53和p16基因的表達(dá)在第15代中沒有明顯變化[59]。高代數(shù)的MSC也表現(xiàn)出p21的表達(dá)增加[60]，p21是細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶的抑制劑，并且敲除高代數(shù)MSC中的p21會增強(qiáng)MSC增殖能力[60, 61]。
骨髓MSC在培養(yǎng)到第9代時，就出現(xiàn)80%的SA-gal陽性細(xì)胞，即80%的MSC已經(jīng)衰老了[35]。另一個實驗室在培養(yǎng)牙髓MSC在傳代10-11時出現(xiàn)約40%的SA-gal陽性MSC[19]。傳代相關(guān)衰老的差異可能歸因于不同的細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)[62, 63]。此外，高代數(shù)的MSC能觸動更多的即時血液介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)[64]并激活補(bǔ)體途徑[64, 65]，限制了它們在體內(nèi)的存活和發(fā)揮功能。
衰老的MSC經(jīng)歷了明顯的遺傳和表觀遺傳變化[66-69]。大量證據(jù)表明miRNAs在調(diào)節(jié)干細(xì)胞功能中起重要作用[70]。干細(xì)胞的衰老也與miRNAs表達(dá)失調(diào)有關(guān)，已發(fā)現(xiàn)miR-335和miR-195在骨髓MSC衰老中起關(guān)鍵作用，改變它們的表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)MSCs的治療效果[71, 72]。有兩項研究通過微陣列或定量PCR方法證明了長期培養(yǎng)的骨髓MSC，會出現(xiàn)衰老相關(guān)miRNA表達(dá)譜的改變[35, 73]。對人臍帶MSC和臍血MSC早期（P4代）和晚期（P11代）傳代的microRNA圖譜分析表明，來自臍帶血和臍帶血的MSC的衰老機(jī)制可能不同[74]。高代數(shù)（P13-P22）MSC分泌的微囊泡（MVs）（<500 nm）小于低代數(shù)（P3-P7）MSC，伴隨CD105+MSC-MVs減少和miR-146a-5p增加[75]。
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MSC的免疫調(diào)控能力
一些綜述已經(jīng)闡述了MSC和免疫細(xì)胞之間相互作用的可能機(jī)制[83-87]。MSC具有強(qiáng)大的免疫抑制潛力，這與劑量呈正相關(guān)，然而，工業(yè)化的大規(guī)模培養(yǎng)的MSC在3期試驗中卻未能有效治療激素難治性急性GVHD[88]。一篇綜述分析了可能原因：供體差異，表觀遺傳重編程，免疫原性和冷凍保存[89]。另一項關(guān)于MSC治療激素難治性GVHD的系統(tǒng)綜述和meta分析發(fā)現(xiàn)，MSC單次治療后6個月的存活率為63%，并且與患者的年齡、MSCs培養(yǎng)液或提供的MSCs劑量沒有差異[90]。但即使MSC具有強(qiáng)大的免疫調(diào)節(jié)潛能，MSC在GVHD的3期臨床失敗的原因仍需深入研究和調(diào)查。
長期培養(yǎng)是否損害了MSC的免疫調(diào)節(jié)功能？目前的研究結(jié)果并不一致。基于體外實驗，MSC的免疫抑制作用從第2代到第7代沒有明顯區(qū)別[91]。也有研究發(fā)現(xiàn)人臍帶MSC從第4代到第9代之間的免疫調(diào)節(jié)功能有下降的趨勢[92]。有爭議的是，第15代人臍帶MSC的抑制活性高于第3代[93]。然而，在抗藥性GVHD患者中，接受健康捐贈者低代數(shù)MSC（P1-2）的患者1年生存率為75%，而使用高代數(shù)MSC（P3-4）的患者1年生存率為僅21%[94]。長期培養(yǎng)（從P3到P7）對大鼠骨髓MSC的免疫豁免沒有任何明顯的影響[95]。
有研究提示，臍帶和羊膜來源的MSC的免疫調(diào)節(jié)能力明顯優(yōu)于骨髓和臍血來源[96]。脂肪MSC的免疫調(diào)節(jié)能力也明顯優(yōu)于骨髓MSC[97-99]。然而，近的一項研究表明，脂肪MSC顯示出比來自相同供體的骨髓MSC略高的免疫抑制能力，但是沒有統(tǒng)計學(xué)差異[100]。這一結(jié)果與小鼠實驗一致，即來源于同一個小鼠的脂肪MSC和骨髓MSCs在抑制T細(xì)胞增殖的免疫抑制能力上沒有差異[101]。有趣的是，MSC的免疫調(diào)節(jié)能力和自身的增殖潛力之間沒有明顯的關(guān)系[13, 102]。
因此，我們需要明確影響MSC免疫抑制能力的因素，然后選擇免疫抑制能力強(qiáng)的MSC用于免疫性疾病的治療。
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MSC與炎癥環(huán)境
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輸注后MSC的體內(nèi)分布
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MSC的治療方案
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MSC的治療機(jī)制
絕大多數(shù)輸入的MSC并不能長期存活，這也是MSC安全性的一個重要原因，而且MSC的治療機(jī)制是由于分泌的可溶性因子[13, 188-192]。
例如，改善心力衰竭的VEGF[193]，HGF用于多發(fā)性硬化癥[194]和肝臟疾病[195, 196]，IGF-1和EGF用于傷口修復(fù)[197]。這些因子通過減少炎癥和減少組織細(xì)胞的凋亡或通過刺激組織內(nèi)源性干細(xì)胞的增殖和分化來增強(qiáng)受損組織的修復(fù)[198-201]。此外，MSC通過分泌營養(yǎng)分子來支持造血，包括細(xì)胞因子和生長因子[202-204]，這已被動物模型實驗所證實[198, 205-207]。基于體內(nèi)動態(tài)分布，MSC更有可能通過“觸摸即走（touch and go）”[83]或“擊中即跑（hit and run）”[191]機(jī)制發(fā)揮其治療作用，在遷移到受損器官后，MSC分泌應(yīng)激誘導(dǎo)的治療分子或直接與靶細(xì)胞相互作用，然后被機(jī)體清除。
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健康人和患者M(jìn)SC
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總結(jié)和展望
