干细胞治疗策略:改善种子细胞还是改善微环境?

干细胞治疗策略:改善种子细胞还是改善微环境?

       2008年12月20日在上海举办的第四届全国干细胞移植在心血管疾病临床应用研讨会暨第五届全国干细胞治疗终末期心血管疾病研讨会中,葛均波教授和王建安教授关于干细胞治疗策略需要改善“种子”(干细胞)还是改善“土壤”(微环境)的辩论颇为引人关注。

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        微环境与干细胞                                        
   

        TGF:转化生长因子
   

        G-CSF:粒细胞集落刺激因子
   

        SCF:干细胞因子
   

        EPO:促红细胞生成素
   

        IGF:胰岛素样生长因子
   

        HGF:肝细胞生长因子
   

        PDGF:血小板源性生长因子
   

        HIF:缺氧诱导因子

        正方 “种子”重要

        干细胞种子改良是细胞移植希望所在

        讲者:复旦大学附属中山医院 葛均波

       “种瓜得瓜,种豆得豆”。细胞移植治疗心脏病的根本性突破将源自细胞类型的改良,而移植条件的优化(包括微环境的改善)终究只是条件而已。

       自体骨髓干细胞具有多向分化潜能、来源充足、不存在排斥反应等优点。骨髓有核细胞(BMNC)通过分泌局部生长因子促进梗死后心肌修复。内皮祖细胞(EPC)通过促进梗死交界区血管新生加速心肌修复。间充质干细胞(MSC)不仅可通过旁分泌效应促进心肌修复,也可直接分化为心肌细胞。我们通过极限稀释培养与磁珠分选结合的方法,获得了纯化程度更高的人源骨髓单克隆MSC(snMSC),并发现snMSC移植较其他类型移植更利于梗死心脏收缩功能恢复、血管内皮生长因子(VEGF)表达及血管新生。

       美国斯坦福大学范德博格特(van der Bogt KE)等比较了BMNC、MSC、成骨骼肌细胞(SKMb)和成纤维细胞等4种细胞移植治疗心肌梗死小鼠的疗效。体内荧光成像表明,移植后3周,MSC、SKMb和成纤维细胞急性死亡,而BMNC 移植后6周依然存活,且左室缩短分数等心功能参数改善明显优于其他组 (P<0.05)。因此,BMNC可能是目前修复受损心肌较为理想且富有实用前景的细胞类型。但阿卜杜勒-拉蒂夫(Abdel- Latif)等对成人骨髓干细胞来源的细胞移植研究进行荟萃分析,没有发现BMNC组和MSC+循环血前体细胞(CPC)组移植的疗效有差异。

       胚胎干细胞(ESC)和心脏干细胞的分化性能较为理想。ESC可分化为内胚层、中胚层、外胚层所有类型的细胞,有“万能细胞”之称,但也会增加畸胎瘤发生风险,并受免疫排斥和伦理道德的限制。心脏干细胞主要分化为心肌细胞,少量分化为平滑肌细胞和内皮细胞,收获自体心脏干细胞的操作难度较大。温特(Winter E)等报道,来自成人心房组织的心外膜衍生干细胞(EPDC)可改善心梗动物模型的心脏重构,促进血管新生和心肌细胞再生。另有学者发现,CPC与 EPDC 一起移植对改善心功能具有协同作用。

       高桥(Takahashi K)将来源丰富的成人体细胞重新进行基因编程,成功诱导出具有胚胎干细胞样作用的多能干细胞(IPSC),避免了社会伦理学问题。目前已有多个研究所正试图将这类细胞应用于心脏病治疗领域。

       影响“土壤”:旁分泌效应改善微环境

       干细胞治疗心肌梗死的早期益处主要通过旁分泌局部细胞因子或生长因子如肿瘤坏死因子(TNF)、VEGF、胰岛素样生长因子1、制瘤素、白介素(IL)1和6等抑制心肌细胞凋亡,增加血管新生,挽救受损心肌,改善重构。植入细胞还可减少Ⅰ、Ⅲ型胶原和组织金属蛋白酶Ⅰ的产生,改变细胞外基质结构从而改善重构。另外,植入细胞的旁分泌效应还可激活交界区残存心脏干细胞,挽救心肌细胞。

       因此,移植细胞的旁分泌作用在改善微环境方面具有举足轻重的作用,选择合适的细胞类型不仅关系到“种子”本身的质量,也影响着微环境“土壤”的质量。

       (复旦大学附属中山医院 黄浙勇 整理)

       反方 “土壤”关键

       改善微环境是干细胞研究方向

       讲者:浙江大学医学院附属第二医院 王建安

       “橘生江南则为桔,生于江北则为枳”。心肌微环境对于移植干细胞的存活、迁移、分化起决定性作用,改善微环境安全可行,是提高干细胞疗效的根本和关键。

       关注“土壤”:局部微环境决定干细胞功能

       干细胞移植治疗心肌梗死(MI)安全可行,但是移植效果不理想,长期疗效有争议。主要问题包括:①大部分移植细胞不能在受损组织中长期存活;②经冠脉或静脉途径移植入心脏的干细胞仅1.5%~5%停留在心肌组织,直接注射入心肌的干细胞也有90%以上丢失;③干细胞是否能横向分化为心肌细胞的问题始终是争论焦点。干细胞迁移到受损组织并在局部存活进而分化为功能细胞,这3步是其发挥作用的前提和关键,而局部微环境则是主要决定因素。

      局部微环境对干细胞的分化方向起决定性作用。同样的种子细胞移植到不同受损组织能分化为不同的功能细胞,如干细胞移植到梗死心肌能分化为心肌样细胞,移植到脑梗死局部则能分化为神经元细胞。MI后局部心肌细胞释放特定细胞因子,促使移植细胞表达特异的心肌蛋白,分化为心肌样细胞。我们的研究表明,将骨髓间充质干细胞(MSC)与缺氧后心肌细胞共培养,能诱导MSC表达心肌特异性蛋白(MHC和TnI),而MSC与正常的心肌细胞共培养,则未能诱导MSC表达心肌特异性蛋白。

       多项研究表明微环境决定干细胞的迁移过程,MI后局部分泌的细胞因子对干细胞有趋化作用,能促使干细胞向梗死心肌迁移。葛均波教授的研究也证实,MI后局部环境可分泌基质细胞衍生因子1(SDF-1),且不同时间SDF-1表达水平不同,导致迁移到局部组织的细胞数量不同。

       缺血缺氧的微环境是导致干细胞死亡的主要原因。MI局部严重缺血缺氧、严重酸中毒、代谢产物积聚,且MI后心肌组织坏死过程中将释放一系列炎性反应介质和促凋亡因子,导致移植细胞发生凋亡。还有研究表明,梗死心肌吞噬细胞的清除作用、移植局部的机械压力和梗死局部IL-1的表达水平也都与移植细胞死亡有关。

       提高疗效:改善微环境是根本和关键

       申克(Schenk S)等研究发现,细胞移植前在梗死局部使用单细胞趋化蛋白(MCP-3)预处理,可促进干细胞的迁移和归巢,并提高移植疗效。另有研究表明,在猪心梗模型中,心肌内注射自体骨髓MSC,并给予阿托伐他汀,也可显著降低MI局部炎症因子表达,并显著提高MSC在梗死心肌中的存活和分化效率,改善心功能和减小灌注缺损面积。另有研究显示,在MI后围干细胞移植期给动物喂饲中成药,也能减缓梗死心肌局部的氧化应激反应,明显提高移植干细胞的存活率,并显著促进心功能的恢复。

       因此,改良“土壤”(损伤的心肌微环境)更利于“种子”(移植干细胞)的存活、分化和发挥效用。

       研究发现,MI后1周移植骨髓MSC较即刻移植或MI后2周移植有更好的效果,移植细胞存活率增加,新生血管增多,心功能改善更加明显,提示MI后1周是理想的移植时间。MI后不同时期有不同的微环境,通过选择合适的移植时机,即选择合适的微环境,能达到改善细胞移植的效果。
 

来源：中国医学论坛报