發布時間：2024-10-25 瀏覽量：0
間充質干細胞（Mesenchymal stem cells, MSC）是一種多能干細胞，可以分化成多種細胞類型，包含骨細胞、脂肪細胞和肌肉細胞等。它們具有刺激受損組織的修復功能，引起了眾多科學家的關注。MSC在臨床上用于解決多種血液系統疾病、心血管疾病、肝硬化、神經系統疾病、自身免疫性疾病、膝關節修復等方面取得了重大突破。然而，即使有部分臨床試驗結果顯示其確實有效果，但科學家們仍難以解釋為何同樣使用MSC療法，卻可能產生不同的結果。
因此，如何增強MSCs的一致性和有效性，克服MSCs的治療障礙從而獲得更好的治療效果仍然充滿挑戰。
2020年12月，美國國立衛生研究院Byung-Chul Lee的研究團隊在Stem Cell Research & Therapy雜志上發表題為“Functional enhancement strategies for immunomodulation of mesenchymal stem cells and their therapeutic application”的綜述長文。文中提出了預處理、基因改造、生物支持材料應用以及聯合用藥等幾大策略。在MSCs給藥前，使用包括細胞因子、生長因子和天然免疫受體激動劑等生物活性物質；缺氧條件誘導甚至采用改進的培養方法，均為有效的提高MSCs療效的策略。另一方面，將MSCs基因進行改造或和生物相容性材料聯合應用也有望成為更優的治療策略。與此同時，開展特異性針對某類疾病或某位患者的個性化治療變得愈發重要。
MSC優化措施
PART 01
1、MSC選擇
在準備干細胞移植時，首先需要選擇MSC。在臨床前及臨床研究初期需要評估輸注的MSCs是否會引起受試者全身或局部的免疫反應。除了免疫監測相關外，MSCs供體的年齡也在評估范圍。盡管供體年齡對其潛能影響不大，但來自高齡供體的MSCs在增殖、分化和免疫調節方面能力均落后。動物疾病模型中，輸注老年的細胞，治療功能也會減弱。老年間充質干細胞的輸注甚至會造成受試者嚴重的“炎癥反應”，進而引起疾病惡化。衰老細胞所分泌的衰老相關的細胞因子（SASP），會加速周圍細胞衰老、引起再生功能受損甚至免疫細胞募集。因此可以使用比其他成人干細胞更為原始的從新生圍產組織中獲得的MSCs來解決這一問題，例如來源于臍帶、臍血和華通氏膠。
2、MSC預處理
MSC具有可塑性，通過細胞因子/趨化因子、生長因子、受體激動劑、激素、藥物和缺氧環境均可調節MSC功能，使其更適于目標適應癥的治療。細胞因子和生長因子移植的間充質干細胞可以感知并對微環境做出反應，如局部炎癥信號，稱為“MSC許可”。大多數預處理方法為通過細胞因子/趨化因子或生長因子啟動促炎過程。促炎因子、IFN-γ或TNF-α預處理是傳統的提高MSC治療效果的手段。IFN-γ刺激可增加包括PGE2、HGF、TGF-β和MCP-1在內的免疫調節因子的分泌。值得注意的是，IFN-γ-啟動的MSCs通過抑制免疫效應細胞和促進免疫替代細胞的增殖，恢復免疫穩態。例如IFN-γ-MSCs與淋巴細胞共培養期間，TH17細胞比例、IFN-γ和TNF-α的分泌均有所降低；IL-6和IL-10的分泌增加并促進Tregs的表達。
TNF-α作為另一個關鍵促炎因子，其免疫抑制作用弱于IFN-γ，也是通過刺激PGE2、IDO和HGF分泌起到免疫調節作用。據報道，TNF-α通過與其受體TNFR1和TNFR2結合，激活免疫細胞生存、增殖、侵襲和分化，NF-κB信號通路起到關鍵作用。TNF-α刺激的BM-MSCs上調COX-2以合成PGE2，增加巨噬細胞IL-10表達，減少IgE生成和組胺釋放緩解過敏癥狀。IL-1β-刺激通過上調TGF-β1和MMPs調節機體免疫平衡，促進MSCs遷移，促進傷口愈合，改善MSCs對目的適應癥的治療效果。
3、低氧預處理
低氧預處理也常用于強化MSCs的治療效果。低氧預處理促進了趨化因子受體的表達，并且增強其干性。HIF-1α可顯著調節MSCs及其條件培養基的治療效果。然而，低氧誘導的MSCs因其供體依賴性不同，治療效果也有不同。不同報道稱，模擬體內缺氧環境及血清剝奪將會改變BM-MSCs外泌體內的蛋白組成；比如：低氧誘導的UC-MSCs所產生的外泌體通過上調miR-126促進軟骨再生；低氧誘導的AT-MSCs及其外泌體VEGF表達水平顯著提高，提示血管生成能力的增強。上調的VEGF分泌可恢復BM-MSCs對老年患者缺血性中風的神經保護作用。
4、培養方法改良
除了生物活性分子的預處理和低氧誘導，三維（3D）培養方法很大程度也可增強MSCs的治療潛能。眾所周知，細胞培養過程中的接觸抑制會影響細胞狀態甚至造成細胞死亡，MSCs的細胞間接觸還會影響其分化潛能和免疫調節能力。3D培養系統可模擬干細胞在體內的物理狀態，增加其產量和治療效果。
值得注意的是，最簡單的3D培養方法是成球培養，可促進其抗炎和促血管生成特性。3D培養還可上調包括TGF-β1、PGE2和IL-6在內的免疫調節因子分泌，當與促炎細胞因子接觸時，這種免疫調節作用將被增強。水凝膠近年來備受關注，有人發現，含有透明質酸的水凝膠支持的3D培養可通過加速細胞周期同步，促進AT-MSCs逆轉錄病毒基因的高效轉導。在水凝膠中的3D培養可改善軟骨內固化，介導潛在的骨愈合特性。一項臨床研究表明，培養在聚己內酯（PCL）上的WJ-MSCs能更有效緩解牙齦萎縮。
5、MSC預處理的先進策略
免疫細胞與MSCs的相互作用，是間充質干細胞治療的重要機制。某些特定疾病的風險因素，如免疫細胞過度激活，為開發特定疾病的干細胞治療提供了重要線索。例如TH2細胞、B細胞和肥大細胞作為超敏及過敏反應的關鍵效應細胞，它們的激活在特異性皮炎的發病機制中十分重要。分泌分子方面：在體外經組胺預處理的肥大細胞，刺激UCB-MSCs，通過上調免疫調節和刺激組織再生，可更有效地改善實驗組特異性皮炎的癥狀。因此建議用效應細胞的分泌物質而非典型的促炎細胞因子（IFN-γ、TNF-α等）啟動MSCs，可有效減少過敏反應和慢性炎癥。這類方法也適用于其他疾病，通過分析疾病中的關鍵效應因子及發病機制，定制MSCs，用于目標疾病的治療。
6、MSC基因改造
對干細胞進行遺傳修飾，可使其獨立于外源刺激，提高其治療潛力。多種基因的持續性增強表達均與提高MSCs的治療效能有關。有報道稱BM-MSCs過表達VEGF會促進血管生成并改善腦梗死，提高細胞活率并增強旁分泌效應。為提高低氧預處理效果，將HIF-1α轉染至BM-MSCs可模擬其在低氧暴露下更強的治療效果。過表達PGIS基因能增強干細胞對MI小鼠模型中受損心臟的保護，便于心臟功能恢復。另外，包括IL-4、IL-10、TGF-β1、GATA-4和CXCR4基因都有提高干細胞活率，增強療效的作用。Keap1敲除能增強AT-MSCs的抗氧化效應，經CRISPR/Cas9編輯分泌sRAGE的UCB-MSCs將減輕神經元變性，顯著改善帕金森小鼠的癥狀。盡管基因編輯對MSC治療具有穩定的改善效應，但這類操作不適用于實際臨床應用，主要還是考慮到可能出現的安全問題。某種基因的持續特異性激活，可能是干細胞源惡性腫瘤發生的主要原因。因此，考慮通過瞬時基因修飾以改善治療潛力也可作為努力方向之一。通過shRNA或通過試劑而非病毒基因遞送系統進行基因調節，可能成為潛在的基因改造工具。
7、與支持性材料共培養
最近的研究重點已轉移到開發共培養的輔料用于增強MSCs的治療效應。與免疫抑制劑或是生物活性材料聯用，可以繞開包括細胞啟動或基因調控等額外準備步驟，因此更方便產品用于臨床。共培養條件下，致瘤風險和異質細胞的污染風險均有所降低。如ECM和水凝膠等生物活性材料，還可用于3D培養構建組織和類器官結構。3D成球培養方法可鼓勵細胞與細胞間聯系，運用細胞支架可增加MSC歸巢和譜系分化特性。運用諸如金納米粒子和石墨烯等生物相容性先進材料開發產品臨床前研究正在積極開展。
8、與藥物聯用
MSCs與包括雷帕霉素和他克莫司在內的免疫抑制劑聯用，體現了藥物的協同治療效果，能顯著改善MSCs移植存活率并減少藥物不良反應。MIS416作為先天免疫刺激劑，能夠改善UCB-MSCs的免疫調節能力，促進腸道免疫穩態，促進UCB-MSCs對結腸炎實驗動物的治療效果。有研究者證明，BM-MSC與A型肉毒素協同作用可在mRNA與蛋白水平下調肌動蛋白α-SMA的表達，用于治療肥厚性瘢痕。與單一療法相比，N-乙酰半胱氨酸（NAC）和MSCs聯用對間質性膀胱炎實驗模型的炎癥抑制和凋亡緩解具有更好的效果。
未來展望
PART 02
將前文提到的增強MSCs療效的方法進行組合，可起到1＋1＞2的效果。例如將2D培養中的MSC-priming和3D培養方法相結合，能夠進一步提高MSCs的療效。
將基因修飾后的增殖活性增強的MSCs放入生物相容性支架，再將該細胞—材料復合物與TNF-α抑制劑共同植入受損關節，可用于應對退行性關節炎。基因治療或免疫檢查點相關的單克隆抗體也可與MSC進行聯用。將基因改造過表達HGF的BM-MSCs工程細胞接種于3D貼片移植入動物體內，其應用研究效果優于天然MSCs。
需要關注的是，在干細胞治療中，仍有諸多限制需要通過研究解決。建議開發“定制臨床策略”，通過建立疾病微環境與移植細胞的特定聯系，從而克服當前MSC治療瓶頸。細胞輸注的時間點也是需要考慮的重要因素。不同患者不同適應癥的免疫狀態存在差異，干細胞的反應性可能由炎性環境介導，因此可選擇在炎癥高峰期進行干細胞研究應用，以達到發揮其應用效果最大化。
【注】文章內容旨在科普細胞知識，進行學術交流分享，了解行業前沿發展動態，不構成任何應用建議。
