全 文 :第25卷 第7期
2013年7月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 25, No. 7
Jul., 2013
文章编号:1004-0374(2013)07-0648-06
间充质干细胞在血液病治疗中的应用及研究现状
温晓文,吴迪炯,叶宝东,周郁鸿*
(浙江中医药大学第一临床医学院,杭州 310006)
摘 要:间充质干细胞 (mesenchymal stem cells, MSCs)具有免疫抑制、支持造血、促进微血管形成、抑制
肿瘤细胞增殖等功能。在部分血液病中,MSCs存在质和量的异常。MSCs的应用使得良性血液病 (再生障
碍性贫血、免疫性血小板减少症等 )、恶性血液病以及造血干细胞 (HSC)移植的临床疗效得到进一步的提高,
并正在不断推广应用,但部分疗效机制及安全性仍有待于深入探讨。
关键词:间充质干细胞;血液病;疗效机制
中图分类号:Q813;R733.7;R459.9 文献标志码:A
Advance of MSCs in the treatment of hematologic diseases
WEN Xiao-Wen, WU Di-Jiong, YE Bao-Dong, ZHOU Yu-Hong*
(The First Clinical Medical School, Zhejiang Chinese Medical University, Hangzhou 310006, China)
Abstract: Mesenchymal stem cells (MSCs) present various biological functions such as immune suppression,
hematopoiesis supporting, angiogenesis promotion and tumor inhibition. Quantitative and qualitative abnormality of
MSCs plays an important role in the pathogenesis of some hematologic diseases. With the application of MSCs, the
therapeutic effects on non-malignant hematological diseases (aplastic anemia, immune thrombocytopenia),
hematologic malignancies and the hemopoietic stem cell transplantation have been improved significantly, while the
mechanism and the safety are still needed to be explored.
Key words: mesenchymal stem cells; hematologic diseases; therapeutic mechanism
收稿日期:2013-01-23; 修回日期:2013-03-01
基金项目:浙江省中医药重大疾病科技创新平台科研
专项(2009ZDJB01);浙江省医药卫生科学研究项目
(2010KYB077)
*通信作者:E-mail: zyhblood@163.com;Tel: 0571-
86620325
间充质干细胞 (mesenchymal stem cells, MSCs)
广泛存在于人体骨髓、脂肪、牙周膜组织、新生儿
脐带、胎盘、羊膜、羊水等组织中 [1],是一种可以
自我更新、具有多向分化潜能的干细胞 [2]。MSCs
具有取材容易、来源广泛、易于外源基因的转染和
表达等优点,是一种理想的组织工程细胞,还具有
免疫抑制、支持造血等功能。综上所述,近年来对
MSCs在血液病中的应用,特别是涉及免疫紊乱或
造血微环境损伤的研究很多。本文将对MSCs在良
性血液病 (再生障碍性贫血、免疫性血小板减少症
等 )、恶性血液病以及造血干细胞 (hemopoietic stem
cell, HSC)移植中的应用作一综述。
1 MSCs的生物学特性及其功能
1.1 MSCs的生物学特性
MSCs具有黏附性,呈纺锤形、成纤维细胞样
形态。来自不同组织的 MSCs,其培养方法不同,
所产生的形态也不同 [3]。目前尚未发现MSCs特异
性的细胞表面标记,通常认为MSCs不表达造血干
细胞的表面标记 (如 CD45、CD14、CD11)及一些
共刺激分子 ( 如 CD80、CD86、CD40 及 CD31),
而表达CD105、CD73、CD44、CD90、CD71、CD106、
CD29等 [4]。不同组织来源的 MSCs,表面标记会
略有不同,如骨髓来源的MSCs不表达 CD34,但
人体脂肪组织来源的 MSCs则表达 CD34。MSCs
在骨髓中的含量极少,并随着年龄的增加而减少 [5]。
温晓文,等:间充质干细胞在血液病治疗中的应用及研究现状第7期 649
1.2 MSCs的生物学功能
1.2.1 免疫抑制
MSCs具有低免疫原性,低表达或不表达
MHC-I和MHC-II类分子。它可以通过分泌转化生
长因子 (TGF-β1)、肝细胞生长因子 (HGF)[6]、前列
腺素 E2、抗炎因子程序性死亡配体 -1(PD-L1)等细
胞因子参与抑制细胞免疫 [7]。MSCs还能增加调节
性 T细胞 (Treg)的数量 [8]。在体液免疫抑制方面,
MSCs将 B细胞阻滞在细胞周期的 G0/G1期,从而
抑制 B细胞增殖 [9]。此外,MSCs具有影响 B细胞
的趋化源性及抑制 IgM、IgG、IgA等抗体产生的
功能。
1.2.2 支持造血
作为骨髓基质环境中的重要组成部分,MSCs
与成骨细胞龛、网状基质龛密切相关。MSCs能够
通过细胞与细胞之间相互接触,提供造血所需的生
长因子,如干细胞生长因子 (SCF)、fms样酪氨酸
激酶受体 3配体 (Flt-3 ligand)、血小板生成素 (TPO)、
白血病抑制因子 (LIF)、白细胞介素 (interleukin,
IL)-6、IL-11[10];分泌黏附分子,如整合素家族分
子和其他多种黏附分子;分泌基质蛋白,如胶原、
层黏蛋白、纤连蛋白等;分化为成骨细胞及内皮细
胞,形成造血微环境的一部分。MSCs通过上述途径,
维持 HSC的增殖和分化,对造血生成具有十分重
要的作用。
1.2.3 促进微血管形成
将MSCs移植入鼠心脏缺血区,Notch表达增
加 [11],而 Notch信号通路对缺血区功能性血管形成
起重要的调控作用 [12],因此,MSCs移植可能通过
调控 Notch信号通路促进缺血区心肌组织微血管增
生。MSCs还能增加大脑缺血区血管内皮生长因子 [13]、
成纤维细胞生长因子和 HGF的分泌,调节脑微血
管内皮细胞的增殖 [14],从而促进微血管形成。但
Otsu等 [15]研究认为,MSCs能够通过缝隙连接向
血管内皮细胞传递活性氧,抑制血管生成。
1.2.4 MSCs与肿瘤
研究显示,MSCs可抑制肿瘤生长 [16-18]。一方面,
MSCs可以下调 Wnt[19]、Akt[17]这两条信号通路。
肝癌 H7420细胞和MSCs共培养之后,H7420增殖
减缓,细胞凋亡增多。很多肿瘤中都存在 Akt信号
通路过度活跃,在 Kaposi’s体内肉瘤模型中,向原
发肿瘤部位注入MSCs之后,肿瘤生长受抑制,这
种抑制作用需要MSCs与癌细胞直接接触。另一方
面,MSCs分泌Wnt通路抑制因子 DKK-1,在体外
可诱导肿瘤细胞产生细胞周期负调节蛋白 p21,下
调抗凋亡因子 Bcl-2,并诱导产生凋亡因子
caspase-3,促进肿瘤细胞凋亡。然而,也有研究发现,
MSCs能促进肿瘤生长,其主要通过形成肿瘤微环
境的一部分 [20],促进肿瘤血管形成 [21]、上皮间质
转化 [22],降低机体免疫监视功能 [23]等途径来实现
的。
2 MSCs在血液病中的应用
2.1 MSCs与良性血液病
2.1.1 再生障碍性贫血
再生障碍性贫血 (aplastic anemia, AA)是以外
周血全血细胞减少和骨髓增生不良为主要特征的疾
病,其发病机制主要涉及免疫功能紊乱、造血微环
境异常和造血干祖细胞破坏。随着人们对 AA进一
步的深入研究,认识到免疫功能紊乱才是致病的关
键,即本质上 AA是一种自身免疫性疾病,涉及 T
淋巴细胞 [24]、自然杀伤细胞、自然杀伤 T细胞 [25-27]、
树突状细胞 (DCs)、造血调控因子 [28]、体液免疫及
细胞因子等方面的异常,但主要是细胞免疫功能的
异常。临床试验发现,AA患者MSCs增殖能力 [29]、
成骨分化能力、生理功能 [30]都显著低于正常对照组,
而脂肪分化能力高于正常对照组。
董毅等 [31]将MSCs (1 × 106/只 ) 输注给 AA模
型小鼠后,28 d时模型组小鼠存活率为 20%,而
MSCs治疗组存活率为 73.3%,14 d时 MSCs输注
组外周血象已开始恢复,28 d恢复正常,而模型组
血象仍较低。临床上MSCs应用于 AA的治疗,多
见于异基因 HSC移植。Weber-Mzell等 [32]报道了 1
例 8岁重型 AA男孩,前 2次均以 HLA相合无关
供者外周血干细胞移植 (输入了数量较多的阳性筛
选的 CD34+细胞 ),2年后病情复发,此时造血细
胞 100%为供者型。最后采用同一供者未作处理的
骨髓细胞进行了第 3次移植,病情获得再次缓解,
至今已超过 5年未复发。多年临床移植经验告诉我
们,在 AA异基因 HSC移植中,骨髓移植优于外
周血干细胞移植。考虑到 AA的本质即免疫性疾病
及 MSCs免疫抑制功能的认识,目前国内已开展
MSCs输注治疗 AA的临床试验。刘增慧等 [8]临床
使用异体MSCs治疗 AA患者 30例,研究发现 AA
患者外周血 Treg表达明显低于健康对照组,治疗
后 AA患者外周血 Treg表达升高。
2.1.2 免疫性血小板减少症
免疫性血小板减少症 (immune throm bocy topenia,
生命科学 第25卷650
ITP)发病机制主要涉及辅助性 T细胞 1(Th1)/辅助
性 T细胞 2(Th2)失衡、Treg细胞质和量的减少以
及自身抗血小板抗体的产生 [33]。Th1和 Th0极化现
象伴 Th1因子 IL-2、IFN-γ分泌增多,而 Th2因子
IL-4、IL-10分泌水平显著下降 [34]。CD4+ CD25+Treg
细胞作为重要的免疫负性调节细胞,其量和功能的
缺陷可激发免疫功能,导致自身免疫耐受能力的降
低。Mizutani 等 [35] 发现 ITP 患者外周血及脾脏
CD5+B细胞水平显著增高,CD5+B细胞体外培养时
可产生一定量的血小板相关抗体,且 CD5+B细胞
比 CD5−B细胞产生血小板相关抗体的能力强 [36],
提示 CD5+B细胞与 ITP的发病机制有关。最近的
研究还证实,ITP患者本身就存在着MSCs的缺陷,
表现为MSCs自身增殖能力及抑制 T淋巴细胞增殖
能力的减弱,且高表达 Caspase 9[37]。然而,吴艳等 [38]
在研究 ITP患者MSCs体外的免疫抑制能力时发现,
ITP患者骨髓MSCs的 TGF-β1和 HGF的表达水平
及免疫抑制能力与正常对照组比较无显著性差异。
在 ITP治疗中,MSCs作为一种免疫抑制剂而
发挥作用。目前,国内外已有关于MSCs治疗自身
免疫相关性疾病的报道 [39-40],但有关 MSCs治疗
ITP的临床及实验研究仍属相对空白。Ma等 [41]体
外观察MSCs对 ITP患者外周血和骨髓单核细胞功
能影响时发现,MSCs能抑制 T、B淋巴细胞扩散
和血小板破坏,明显逆转巨核细胞功能障碍,调节
Thl和 Th2反应平衡,这些发现为未来 MSCs在
ITP中的应用提供了依据。
现阶段,MSCs治疗 ITP的具体机制仍未明确,
MSCs能否有效调节难治性 ITP患者免疫细胞的平
衡、重塑功能活性、减少自身抗体的分泌等均有待
于进一步研究明确。
2.1.3 其他良性血液病
Van Damme等 [42]采用MSCs作为血友病 A基
因治疗的受体细胞,以逆转录病毒作为载体,将人
B区域缺陷的凝血因子 VIII转导入MSCs,再移植
入 SCID小鼠中,实验结果表明,在实验动物血清
中可检出高水平表达的凝血因子 VIII,并能长期稳
定表达,但如何调节体内凝血因子浓度及确保该治
疗方法的安全性是该类治疗方法推向临床前尚需解
决的问题。
3 MSCs与恶性血液病
血液系统的恶性疾病主要包括白血病、淋巴瘤
等。恶性血液病治疗以化疗为主,近年来化疗药物
的耐药及复发成为治疗中最大的难题,并且化疗对
骨髓及其他脏器具有严重的毒副作用,因而影响患
者的生活质量并限制临床治疗效果,开发新的治疗
途径成为解决这一问题的关键。越来越多的研究发
现,白血病患者骨髓中MSCs的调控免疫能力存在
病理改变 [43]。MSCs治疗的机理不同于以往化疗治
疗,有望成为一种新的治疗途径。
宋宁霞等 [44]将小鼠MSCs与白血病细胞体外
共培养,发现MSCs能够抑制不同来源的白血病细
胞增殖,并呈浓度和时间依赖性,且MSCs能够促
进白血病细胞早期凋亡,抑制细胞周期于 G0/G1期。
Ning等 [45]的研究结果表明 ,MSCs与 HSC共移植
时,MSCs输注组患者的白血病复发率显著高于未
输注组。可见,MSCs在恶性血液病中扮演了二元
角色,一方面可以抑制白血病细胞增殖;另一方面
可能导致 HSC移植后白血病的复发率升高。这种
复发率的升高,可能与MSCs支持肿瘤生长有关,
也不能排除与MSCs导致的耐药 [46]有一定的相关
性。目前MSCs与恶性血液病的关系、治疗的利弊
尚未清楚,有待进一步研究。
此外,MSCs作为一种重要的载体细胞在基因
治疗中受到人们广泛关注。在白血病的基因治疗方
面,Li等 [47]利用转染了 IL-7的MSCs和造血干细
胞共移植入白血病模型小鼠,结果表明转染组小鼠
可高表达 IL-7,抗白血病效应显著,免疫重建较快,
死亡率相对较低。在Burkitt淋巴瘤的基因治疗方面,
Kyriakou等 [48]将 tsFlk-1基因转染MSCs细胞,将
其应用于动物模型中,结果发现 tsFlk-1基因可以
得到稳定表达,并且可以明显抑制皮下肿瘤结节的
生长。这些都与MSCs作为载体细胞,能长期稳定
表达目的基因有关。
3.1 MSCs与HSC移植
HSC移植是经大剂量化疗或其他免疫抑制剂
处理,清除受者体内的肿瘤细胞、异常克隆细胞,
阻断发病机制中的某个环节,然后再把自体或异体
造血干细胞移植给受体,使受体重新建立正常造血
和免疫功能,从而达到治疗的一种技术手段。近年
来大剂量化疗联合 HSC移植已广泛用于治疗恶性
血液病、非恶性难治性血液病、遗传性疾病和一些
实体瘤,并取得了较好的疗效。MSCs通过分离培
养及体外扩增后,与 HSC联合移植,能加快骨髓
移植后的造血重建过程及减轻并发症。
3.2 促进造血重建
血液病患者在经历多次大剂量放化疗后,其骨
温晓文,等:间充质干细胞在血液病治疗中的应用及研究现状第7期 651
髓造血微环境尤其是基质细胞受损,这种损伤持久
而难以恢复,是 HSC植入失败的一个重要原因 [49]。
实验发现,髓腔内注射小鼠骨髓MSCs/祖细胞,能
够增加 Lin-C-kit+造血干 /祖细胞的归巢、黏附和
存活,进而促进小鼠造血重建 [50]。相对于大多数人
认为不同来源的MSCs对 HSC植入的影响无明显
差异性,Nauta等 [51]发现,受体来源的MSCs能够
促进受体对供体来源的抗原产生免疫耐受,从而促
进异基因骨髓细胞植入;而供体来源的MSCs由于
能够触发记忆性 T细胞反应,从而抑制异基因骨髓
细胞的植入;但第三方MSCs对供体骨髓细胞植入
无显著影响。在MSCs输注剂量选择上,MSCs与
不同比例脐血 CD34+细胞共移植时,当两者比例为
10:1,可达最佳促进造血重建作用 [52]。
3.3 抗GVHD
移植后移植物抗宿主病 (graft-versus-host disease,
GVHD)是影响移植疗效的另一个重要原因。多项
动物实验已证实,MSCs对 GVHD具有很好的预防
和治疗作用。在小鼠急性 GVHD模型中,王健民
和宋宁霞 [53]观察到,HSC移植同时或移植后 7 d
输注小鼠骨髓来源的MSC能够显著延长小鼠的生
存时间,减轻其肝脏、肠道等急性 GVHD靶器官
的病理损害,这表明 MSCs对急性 GVHD具有一
定的预防和治疗作用。MSCs与 HSC同时输注的大
鼠有 60%能长期存活,仅有 40%死于 GVHD,而
未输注 MSCs的大鼠长期存活率只有 20%[54]。也
有研究发现,HSC 移植同时输注 MSCs 对预防
GVHD毫无作用 [55-56]。而 Tisato等 [57]认为,人脐
血MSCs能够预防 NOD/SCID小鼠 GVHD的发生,
但对已经发生的 GVHD无治疗作用。出现上述不
同研究结果的可能原因是MSCs发挥免疫抑制功能
需要 IFN-γ单独或联合 TNF-α、IL-1α等细胞因子
的预先激活。因此,在输注时间的选择上,Polchert
等 [58]的研究证实,骨髓及脾细胞移植当天检测血
清中 IFN-γ水平为 0,移植同时输注MSCs对控制
GVHD毫无作用;在移植后第 2天或第 20天,血
清中 IFN-γ呈现一个高水平状态,MSCs在大剂量
IFN-γ作用后分泌吲哚胺 2,3-双加氧酶 (IDO)而发
挥其免疫抑制作用,控制 GVHD。
4 问题与展望
MSCs研究虽已取得了一些进展,但还有很多
问题有待解决,如 (1)MSCs的免疫标志物并不确定,
只能粗略的采用排除法和逆推法进行鉴定,不具有
充分的可靠性和准确性;(2)MSCs治疗是否能增加
细胞恶性转化发生肿瘤的风险,还存在疑问;(3)
MSCs共移植时,最适临床输注剂量 [52,59]、输注途径、
输注时机等都需进一步探索;(4)MSCs所分泌的
TGF-β能否抑制 T细胞增殖尚存争议 [60];(5)MSCs
对哪类特定 T淋巴细胞亚群有抑制作用还需进一步
实验研究 [61];(6)MSCs对肿瘤细胞的作用至今仍存
在复杂性和不确定性,其是否适合在 HSC移植中
应用需更多的证据支持。此外,现阶段MSCs的应
用仍处在动物实验为主的初级阶段,选择合适的支
架材料,探讨适宜的治疗方案,预防免疫排斥、异
型性增生等副作用,都是迫切需要解决的问题。
随着上述问题的解决以及基因技术和免疫学的
进步,MSCs可以更加安全有效且大规模地应用于
临床,在治疗血液系统疾病特别是有造血微环境损
伤的血液病中发挥重要的作用。
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