李憲哲 謝明顥 練磊
炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease,IBD)包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩?。–rohn's disease,CD),以反復(fù)發(fā)作的腸道炎癥和黏膜潰瘍?yōu)樘攸c(diǎn),其發(fā)病與多種因素有關(guān),包括環(huán)境因素、遺傳因素及自身免疫應(yīng)答等[1]。當(dāng)前,IBD已成為一種全球性疾病,其發(fā)病率呈逐年上升趨勢(shì),尤以亞非國(guó)家較為顯著[2]。在亞洲,潰瘍性結(jié)腸炎的年發(fā)病率為1.0/10 萬(wàn)~ 2.0/10萬(wàn),患病率為4.0/10萬(wàn) ~ 44.3/10萬(wàn);CD的年發(fā)病率為0.5/10萬(wàn)~ 1.0/10萬(wàn),患病率為3.6/10 萬(wàn) ~ 7.7/10萬(wàn)[3]。在中國(guó),推測(cè)潰瘍性結(jié)腸炎和CD的患病率分別為1.6/10萬(wàn)和1.4/10萬(wàn)[4]。目前IBD的治療主要以藥物控制腸道活動(dòng)性炎癥和調(diào)節(jié)免疫紊亂為主[5]。但藥物遠(yuǎn)期治療效果并不理想,尚無(wú)有效藥物可以徹底改變IBD患者的腸道炎癥狀態(tài),部分患者后期仍需外科手術(shù)干預(yù)[6-7]。為此,尋找一種治療效果更佳且副作用更少的新療法成為治療IBD的當(dāng)務(wù)之急。間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stromal cells,MSCs)因其具有多向分化、免疫調(diào)節(jié)及組織修復(fù)功能,已成為IBD治療的一種新選擇,是目前的研究熱點(diǎn),也是未來(lái)的治療趨勢(shì)之一。本文綜述了MSCs的概況及其在IBD治療的作用機(jī)制及應(yīng)用前景,希望為進(jìn)一步深入研究MSCs治療IBD方面提供參考。
自1966年Friedenstein等[8]首次從豚鼠骨髓中分離并培養(yǎng)出MSCs后,對(duì)其性質(zhì)及潛在應(yīng)用的研究從未間斷。1991年Caplan等[9]提出這些MSCs可分化為所有間葉細(xì)胞,并具有促進(jìn)間葉組織再生的假設(shè),直到1999年這種假設(shè)才被Pittenger等[10]證實(shí)。MSCs幾乎存在于所有組織中,除可來(lái)源于長(zhǎng)骨骨髓外,還可來(lái)源于脂肪、臍帶血、胎盤(pán)、羊水、乳汁、神經(jīng)、皮膚及牙髓等[11-14]。
體外培養(yǎng)的MSCs體積小,核漿比大,在支持物表面呈梭形或不規(guī)則三角形生長(zhǎng),細(xì)胞中央有卵圓形核,向外伸出2 ~ 3個(gè)長(zhǎng)短不同的觸角[15]。為了標(biāo)準(zhǔn)化不同來(lái)源的MSCs,在2006年,國(guó)際細(xì)胞治療協(xié)會(huì)對(duì)MSCs的定義達(dá)成了3個(gè)最低標(biāo)準(zhǔn)共識(shí)[16]:(1)具有貼壁性;(2)表面抗原包括CD73+、CD90+、CD105+、CD11b-、CD14-、CD34-、CD45-、CD19-、CD79a-、HLA-DR-;(3)在體外具有可分化為成骨細(xì)胞、成軟骨細(xì)胞和脂肪細(xì)胞的能力。
根據(jù)最近的研究發(fā)現(xiàn),MSCs對(duì)IBD[17]、心肌梗死[18]、肝硬化[19]和脊髓損傷[20]等均有治療效果。有研究認(rèn)為MSCs發(fā)揮作用主要是通過(guò)分化成某種特定細(xì)胞,起到細(xì)胞替換作用,從而修復(fù)損傷組織[21]。但也有研究認(rèn)為,MSCs就像一個(gè) “分泌工廠”,通過(guò)分泌細(xì)胞因子或外泌體,調(diào)節(jié)腸道免疫微環(huán)境并可促進(jìn)損傷部位的細(xì)胞再生和組織修復(fù),這也是MSCs近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一[22]。
MSCs可參與免疫調(diào)節(jié)并具有自我更新、多向分化的能力,因而其治療IBD的機(jī)制并不是單一的,是多種因素、多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。以下將介紹MSCs治療IBD的可能機(jī)制。
MSCs可通過(guò)細(xì)胞接觸、可溶性細(xì)胞因子和分泌的外泌體來(lái)發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能,進(jìn)而具有治療IBD的作用。
1、通過(guò)細(xì)胞接觸和誘導(dǎo)可溶性細(xì)胞因子,MSCs可以改變?cè)贗BD發(fā)病中具有重要作用的幾乎所有免疫細(xì)胞的功能。將從IBD患者腸道提取的活化巨噬細(xì)胞與MSCs共培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)其腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-12的分泌水平明顯下降[23]。MSCs可抑制M1型巨噬細(xì)胞并促進(jìn)其向M2型巨噬細(xì)胞分化[24]。MSCs還可通過(guò)抑制自然殺傷細(xì)胞的增殖和毒性,減少B細(xì)胞的增殖和活化,抑制T細(xì)胞及樹(shù)突狀細(xì)胞的成熟,發(fā)揮MSCs的免疫調(diào)節(jié)功能[25]。最新研究證實(shí),Th17/Treg細(xì)胞平衡與IBD的發(fā)病有關(guān),MSCs可通過(guò)抑制STAT3活化進(jìn)而調(diào)節(jié)Th17/ Treg細(xì)胞平衡,使實(shí)驗(yàn)性腸炎得以緩解[26]。此外,許多研究數(shù)據(jù)表明,干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ)單獨(dú)或聯(lián)合TNF-α、IL-1α等可誘導(dǎo)MSCs分泌如IL-10、環(huán)加氧酶-2、前列腺素E2 和吲哚胺-吡咯2,3-雙加氧酶等可溶性因子或酶,參與MSCs介導(dǎo)的免疫抑制[27]。
2、MSCs來(lái)源的外泌體(MSCs-derived exosome,MSCs-EXO)可能是MSCs與腸道受損細(xì)胞通訊的主要旁分泌機(jī)制。MSCs-EXO是由MSCs分泌的含有功能性蛋白質(zhì)、mRNA及microRNA等活性物質(zhì)的膜囊泡,直徑為30 ~ 100 nm,在MSCs與腸道受損細(xì)胞間信息傳遞過(guò)程中發(fā)揮重要作用,可參與調(diào)節(jié)腸道炎癥和損傷修復(fù)[28-29]。Yang等[30]研究發(fā)現(xiàn),MSCs-EXO治療可降低核轉(zhuǎn)錄因子kappaBp65、TNF-α、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶和環(huán)氧合酶-2的mRNA和蛋白水平,同時(shí)降低促炎因子IL-1β的表達(dá)水平和升高抑炎因子IL-10的表達(dá)水平,可有效緩解結(jié)腸炎小鼠腸道炎癥。Zou等[31]研究發(fā)現(xiàn),MSCs外泌體可抑制巨噬細(xì)胞趨化因子CX3CL1和TNF-α的表達(dá),同時(shí)上調(diào)IL-10的表達(dá),降低局部炎癥反應(yīng),起到免疫調(diào)節(jié)的作用。
MSCs具有自我更新及多向分化的潛能,能促進(jìn)腸道受損組織的修復(fù)。MSCs具有向腸道的損傷及炎癥部位趨化的能力,這種能力稱(chēng)之為“歸巢”[32]。已有從腸黏膜及黏膜下組織分離得到MSCs的報(bào)道[33]。將表達(dá)綠色熒光蛋白的骨髓MSCs移植到結(jié)腸炎大鼠模型中,28 d后大鼠結(jié)腸表達(dá)綠色熒光蛋白的上皮細(xì)胞達(dá)到37.6%,證明了MSCs具有分化為結(jié)腸上皮細(xì)胞的能力,進(jìn)而促進(jìn)腸道修復(fù)[34]。MSCs能夠特異性地遷移和種植于受損的組織部位,在那里它們可以分化為功能性細(xì)胞以替代受損細(xì)胞。在實(shí)驗(yàn)性大鼠結(jié)腸炎模型中,一些MSCs在到達(dá)炎癥部位后可發(fā)育為肌成纖維細(xì)胞,上調(diào)α平滑肌肌動(dòng)蛋白和結(jié)蛋白的表達(dá)[35]。也有研究認(rèn)為,雖然MSCs能夠通過(guò)自身分化替代受損細(xì)胞,但它們的組織修復(fù)特性主要是由于它們能夠分泌多種細(xì)胞因子,促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的再生和血管再生,同時(shí)通過(guò)分泌蛋白水解酶和血管生成因子抑制組織細(xì)胞凋亡和纖維化[36]。以上結(jié)果表明,MSCs能夠定向遷移、定植于腸道的損傷和炎癥部位,分化為腸上皮細(xì)胞及分泌多種細(xì)胞因子,進(jìn)而發(fā)揮促進(jìn)腸道修復(fù)的作用。
目前,MSCs無(wú)論是在IBD的臨床前基礎(chǔ)研究還是在臨床試驗(yàn)中均被廣泛應(yīng)用。大部分的臨床前基礎(chǔ)研究證實(shí)MSCs對(duì)IBD動(dòng)物模型有較好的治療作用,但仍需開(kāi)展臨床試驗(yàn)進(jìn)一步評(píng)估MSCs在人IBD治療中的有效性及安全性。以下分別從目前的臨床前基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)兩方面,介紹MSCs在IBD治療中的應(yīng)用情況及治療效果。
大量的臨床前基礎(chǔ)研究已經(jīng)在細(xì)胞水平和動(dòng)物模型上開(kāi)展,以驗(yàn)證MSCs在IBD中的治療作用。實(shí)驗(yàn)所用動(dòng)物多為葡聚糖硫酸鈉和三硝基苯磺酸等誘導(dǎo)的結(jié)腸炎大鼠、小鼠或豚鼠模型等。到目前為止,大部分的研究表明MSCs可有效改善IBD動(dòng)物模型的癥狀及病理組織學(xué)評(píng)分。He等[37]將MSCs作用于結(jié)腸炎小鼠模型,并測(cè)定結(jié)腸組織中TNF-α及IL-1等炎癥因子的濃度,提出MSCs可能通過(guò)免疫調(diào)節(jié)抑制腸道炎癥,緩解小鼠結(jié)腸炎。Zuo等[38]將綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)載到同種異體的MSCs上,發(fā)現(xiàn)MSCs的治療作用可能與Treg細(xì)胞的再分布有一定關(guān)系。Qu等[39]通過(guò)皮下注射的方式,將帶有熒光染色的MSCs輸注到IBD大鼠模型上,發(fā)現(xiàn)MSCs的治療作用可能與受損組織的再生修復(fù)相關(guān)。Banerjee等[40]、Robinson等[41]和Xie等[42]則分別將來(lái)源于人臍帶血、骨髓及脂肪組織的MSCs應(yīng)用于動(dòng)物模型上,也可達(dá)到促進(jìn)癥狀緩解及病理組織修復(fù)的目的。Lian等[43]通過(guò)三硝基苯磺酸灌腸誘導(dǎo)CD纖維化小鼠模型,提出MSCs可通過(guò)調(diào)節(jié)炎癥環(huán)境,抑制TGF-β/Smad信號(hào)通路和改善上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化發(fā)揮抗CD腸道纖維化的作用。但并不是所有的研究都提示MSCs對(duì)治療IBD有效。最近Nam等[44]通過(guò)腹腔注射的方式將同種異體骨髓來(lái)源的MSCs應(yīng)用于葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的小鼠模型上,發(fā)現(xiàn)其在控制結(jié)腸炎及改善組織病理學(xué)嚴(yán)重性上并未起明顯作用,在降低死亡率與疾病活性評(píng)分指數(shù)上跟對(duì)照組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。雖然這樣的陰性結(jié)果研究數(shù)量較少,但同樣值得關(guān)注??偟膩?lái)說(shuō),MSCs可以通過(guò)抗炎、調(diào)節(jié)免疫及促進(jìn)腸上皮修復(fù)等機(jī)制治療IBD。
盡管大部分的臨床前基礎(chǔ)研究證實(shí)MSCs對(duì)IBD有治療作用,但是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)并不一定適用于人的臨床試驗(yàn),MSCs在人IBD治療的安全性及有效性仍需進(jìn)一步評(píng)估。其原因主要有以下2點(diǎn)[45]:(1)人IBD的發(fā)病機(jī)制未明,是由多種因素導(dǎo)致的免疫相關(guān)性疾病,而目前的動(dòng)物模型通常是由藥物誘導(dǎo)所得,并不能完全反映人IBD的所有特征;(2)不同物種來(lái)源的MSCs在功能上存在差異,人與鼠科動(dòng)物MSCs抗炎的作用機(jī)制是否相同也尚未達(dá)成共識(shí)。因此,MSCs對(duì)人IBD有無(wú)治療作用尚需臨床試驗(yàn)證實(shí)。
目前有近500項(xiàng)在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)注冊(cè)的MSCs臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行,其涉及從IBD、多發(fā)性硬化到骨和軟骨修復(fù)等多種疾病[46]。從當(dāng)前已完成的MSCs治療CD合并肛瘺的Ⅰ~ Ⅲ期臨床試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,有超過(guò)半數(shù)患者可以完全緩解,至少有2/3患者對(duì)治療有應(yīng)答,且尚無(wú)與MSCs輸注有關(guān)的嚴(yán)重不良反應(yīng)報(bào)道[47]。這充分說(shuō)明MSCs治療CD合并肛瘺具有有效性和安全性。此外,當(dāng)前已完成的MSCs治療IBD的臨床試驗(yàn)結(jié)果表明,無(wú)論是同種異體還是自體MSCs對(duì)治療IBD均有一定的臨床應(yīng)答率和緩解率[47]。García-Olmo等[48]使用自體脂肪來(lái)源的MSCs局部注射治療5例CD合并肛瘺患者,除了1例患者因細(xì)胞培養(yǎng)污染退出實(shí)驗(yàn)外,其余4例患者共8個(gè)瘺管中,有75%的瘺管在治療8周后愈合,另25%的瘺管雖未完全愈合,但其滲漏也明顯減少,且治療過(guò)程中未出現(xiàn)明顯副作用。Ciccocioppo等[49]臨床試驗(yàn)中,完成實(shí)驗(yàn)的10例患者中,7例患者的瘺管達(dá)到完全愈合,3例患者的瘺管不完全愈合,CD活動(dòng)指數(shù)(CDAI)和肛周疾病活動(dòng)指數(shù)(PDAI)評(píng)分均下降。Panés等[50]進(jìn)行的臨床試驗(yàn)中使用同種異體脂肪來(lái)源的MSCs(Cx601),107例復(fù)雜CD合并肛瘺患者中有53 例患者的瘺管愈合且愈合所需時(shí)間縮短,患者PDAI評(píng)分改善。Molendijk等[51]使用同種異體骨髓來(lái)源的MSCs治療21例難治性CD合并肛瘺患者,結(jié)果顯示局部給予MSCs與患者的嚴(yán)重不良反應(yīng)無(wú)關(guān),局部注射低劑量MSCs療效優(yōu)于高劑量MSCs。這些研究均證實(shí)了局部注射MSCs對(duì)難治性CD合并肛瘺的有效性和安全性。
此外,Zhang等[52]、Liang等[53]和Forbes等[54]使用同種異體來(lái)源的MSCs治療難治性IBD,治療過(guò)程中并未出現(xiàn)排斥反應(yīng)及與MSCs輸注有關(guān)的嚴(yán)重副作用,患者腸道炎癥明顯好轉(zhuǎn)。Dhere等[55]使用自體骨髓來(lái)源的MSCs靜脈注射治療12例難治性CD患者,發(fā)現(xiàn)所有患者均能很好地耐受MSCs的輸注,未見(jiàn)劑量限制性毒性。
如上文所述,臨床上用于治療的MSCs來(lái)源包括自體及異體兩種。自體來(lái)源的MSCs因其來(lái)自宿主本人,無(wú)免疫排斥。已有研究表明,從CD患者提取的MSCs與健康人群的MSCs表型相似,并具有相同的功能[57]。而MSCs的低免疫原性,使異體MSCs在臨床上使用成為可能。有研究報(bào)道,采用異體來(lái)源的MSCs治療難治性的CD,其療效可觀,且在16 例參與實(shí)驗(yàn)的病例中,僅有1例出現(xiàn)了副作用,但該副作用不能確定是否與MSCs輸注有關(guān)[56]?,F(xiàn)如今很多臨床試驗(yàn)所用的MSCs為異體來(lái)源,但并沒(méi)有異體來(lái)源MSCs導(dǎo)致嚴(yán)重副作用或者并發(fā)癥的報(bào)道。異體MSCs相較于自體MSCs的優(yōu)點(diǎn)在于患者不需承受取材的痛苦,且來(lái)源廣泛,適用于大規(guī)模的藥物存儲(chǔ)及應(yīng)用。但異體MSCs在遺傳學(xué)上的性質(zhì)與宿主不同,與自體MSCs對(duì)比,其療效、安全性及遠(yuǎn)期作用都需要進(jìn)一步驗(yàn)證。
給藥方式包括全身性給藥和局部給藥,全身性給藥主要是通過(guò)靜脈輸注的方式,而局部給藥的方式則包括腹腔內(nèi)注射、瘺管內(nèi)注射等。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)P椭?,還有通過(guò)灌腸方式給藥,但在臨床試驗(yàn)中尚無(wú)。正如上文所述,瘺管內(nèi)局部注射MSCs已經(jīng)證實(shí)是治療CD合并肛瘺的有效方式之一。Dietz等[57]進(jìn)行了一項(xiàng)為期6個(gè)月的Ⅰ期臨床試驗(yàn),應(yīng)用自體MSCs附著于生物可吸收基質(zhì)并置入瘺管,12例患者中有10例(83%)達(dá)到完全的臨床愈合并得到影像學(xué)證實(shí)。靜脈注射MSCs具有易行和微創(chuàng)的特點(diǎn),但注射后的MSCs主要滯留于肺部,到達(dá)腸道炎癥部位并能真正發(fā)揮作用的MSCs很少[58]。經(jīng)腸系膜上動(dòng)脈注射MSCs介入治療,雖然可增加到達(dá)腸道炎癥部位的MSCs數(shù)量,但因其是侵入性操作且有出現(xiàn)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn),臨床上很少使用。綜上,究竟哪一種給藥方式更有利于緩解臨床癥狀,需根據(jù)具體情況而定,且尚需更多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
目前MSCs治療IBD的臨床試驗(yàn)研究不足主要包括以下5個(gè)方面[17]:(1)雙盲、隨機(jī)對(duì)照研究數(shù)量不足,缺乏與其他治療方式的對(duì)比;(2)各個(gè)研究間MSCs的來(lái)源不一,既包括自體與異體的差異,還包括取材組織的不同;(3)局部注射治療CD合并肛瘺的有效率波動(dòng)范圍較大;(4)評(píng)估瘺管愈合所用標(biāo)準(zhǔn)不同;(5)副作用的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不明確。因此,需要進(jìn)一步開(kāi)展設(shè)計(jì)更嚴(yán)謹(jǐn)、對(duì)照更合理、標(biāo)準(zhǔn)更明確、樣本量更大的臨床試驗(yàn)研究,提供更多、更有說(shuō)服力的研究結(jié)果。
MSCs因其具有多向分化、免疫調(diào)節(jié)及組織修復(fù)功能,已在IBD治療的臨床前基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。MSCs移植作為一種微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)生物治療,具有低感染、低風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn),可促進(jìn)IBD患者的腸道黏膜愈合,降低CDAI、PDAI和Mayo評(píng)分,改善患者臨床癥狀,提高生活質(zhì)量,具有很大的治療潛力。MSCs通過(guò)全身性或者局部給藥的方式,使其進(jìn)入體內(nèi),雖然研究已經(jīng)證實(shí)了可在有炎癥的腸黏膜處發(fā)現(xiàn)MSCs,但最終到達(dá)炎癥部位的干細(xì)胞數(shù)量有限[59],腹腔注射僅有不到1%的MSCs能到達(dá)結(jié)腸炎癥部位[60]。而正如前文所述,MSCs本身就像是一個(gè)“分泌工廠”,其在組織修復(fù)和調(diào)節(jié)免疫等多方面機(jī)制上都與細(xì)胞因子和分泌的外泌體密切相關(guān)。因此,在未來(lái)進(jìn)一步提高M(jìn)SCs在IBD中的治療作用,主要集中在以下4個(gè)方向:(1)促進(jìn)MSCs的歸巢能力,增加到達(dá)腸道損傷及炎癥部位的細(xì)胞數(shù)量。有研究表明,低氧處理可增加MSCs瘦素和細(xì)胞表面趨化因子受體CXCR4的表達(dá),顯著增加MSCs“歸巢”至受損部位的能力[61];(2)誘導(dǎo)MSCs旁分泌細(xì)胞因子或外泌體,促進(jìn)其腸道組織修復(fù)和免疫調(diào)節(jié)能力;MSCs-EXO可參與血管生成、免疫調(diào)節(jié)、抗凋亡和抗纖維化等多方面過(guò)程[62];(3)通過(guò)細(xì)胞因子體外預(yù)處理MSCs,提高M(jìn)SCs的治療效應(yīng)和延長(zhǎng)效應(yīng)時(shí)間;有研究證實(shí),在體外使用聚肌胞苷酸對(duì)Toll樣受體3進(jìn)行短時(shí)間預(yù)處理,可提高M(jìn)SCs對(duì)葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎的治療效果[63];(4)MSCs與免疫細(xì)胞或藥物聯(lián)用,提高M(jìn)SCs的免疫抑制效應(yīng)。已有研究表明,MSCs與Treg細(xì)胞聯(lián)用可增強(qiáng)MSCs治療小鼠結(jié)腸炎的免疫抑制作用,有效預(yù)防小鼠模型結(jié)腸炎的發(fā)生,這可能為人類(lèi)IBD的治療提供一種新的有效治療方案[64]。此外,MSCs與6-巰基嘌呤和TNF-α抗體藥物聯(lián)用可增強(qiáng)對(duì)單核細(xì)胞的抑制作用[65]。
綜上所述,MSCs可通過(guò)免疫調(diào)節(jié)及促進(jìn)腸道修復(fù)等多種機(jī)制對(duì)IBD產(chǎn)生治療作用,其未來(lái)有可能成為IBD,特別是難治性或合并肛瘺的IBD治療的新方向和新選擇。但目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)多來(lái)自于臨床前基礎(chǔ)研究,臨床試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)較少,治療經(jīng)驗(yàn)尚且不足。為此,需要更多的研究來(lái)證實(shí)MSCs治療IBD的安全性及有效性,探索更多方法來(lái)提高M(jìn)SCs的治療效果。
中華細(xì)胞與干細(xì)胞雜志(電子版)2019年4期