临床中如何有效提高间充质干细胞改善疾病的功能？

近日，中南大学湘雅三医院内分泌科对最近发表在《世界干细胞杂志》上的题为“缺氧和炎症因子预处理增强人类脐带间充质干细胞的免疫抑制特性”的突破性研究提出了的观点。

尽管对间充质干细胞 (MSC) 的临床应用进行了三十多年的研究，但由于尚待解决的多个临床前和临床挑战，只有少数治疗产品进入临床使用。该研究证明，低氧和炎症因子预处理可以在不损害其生物学特性的情况下使间充质干细胞具有更高的免疫抑制作用，这表明炎症因子和低氧预处理的结合为增强间充质干细胞的功能提供了一种有前景的方法。随着我们深入研究预处理方法的复杂性，我们预计基于间充质干细胞的治疗领域将发生变革，最终有助于改善患者的治疗结果并推动整个领域的发展。

介绍

干细胞（ SC）具有多能性、不对称分裂和自我更新的能力。SCs可以直接或间接刺激常驻细胞、调节炎症、释放生物分子和重塑细胞外基质（ECM）以有益于多种疾病。根据分化潜能的不同，干细胞可分为全能、多能和单能干细胞。现在人们一致认为，干细胞的临床应用对于治疗多种疑难杂症具有广阔的前景。因此，有各种临床试验来探索干细胞在许多疾病中的临床应用。

间充质干细胞（MSCs）是多能基质细胞，具有良好的自我更新和多能分化潜能。间充质干细胞作为一种基于细胞的疗法治疗中度免疫性疾病和再生的潜力已得到充分阐明，间充质干细胞是临床治疗中最常选择的干细胞。间充质干细胞可以来源于多种组织，包括骨髓、脂肪组织、沃顿胶、牙髓、经血和有效采集的脐带血。

尽管来自不同组织的间充质干细胞具有相同的基本功能特征，但其功能强度仍存在差异，例如细胞大小、增殖潜力、分泌的细胞因子和免疫抑制等。间充质干细胞可以改变组织内的微环境，提高细胞分化和再生能力，间充质干细胞治疗免疫性疾病的功能已被证实。因此，MSC在临床上尝试治疗多种疾病，包括血管疾病、免疫疾病和伤口。

间充质干细胞临床应用的范围和优势

由于其可再生性、免疫调节特性、肿瘤发生风险极小且缺乏伦理限制，间充质干细胞已成为干细胞治疗的重要细胞来源。

MSC的许多亚型，例如脂肪源性MSC、人脐带间充质干细胞（HUMSC）和骨髓间充质干细胞都适合临床使用，没有明显的功能异常或副作用。

间充质干细胞是原代塑料贴壁细胞，具有巨大的增殖潜力以及自我更新和分化的能力。这些细胞可以很容易地在体外培养，并且MSC不表达CD45、CD34、CD14、CD11b、CD79a、CD19或主要组织相容性复合体(MHC)II类，这可以减少免疫排斥并促进MSC的临床移植。

间充质干细胞广泛应用于创伤组织修复、免疫疾病和癌症治疗。不同人群的MSCs增殖能力和免疫原性差异很大，糖尿病患者来源的MSCs成骨潜力较健康志愿者降低，而自身免疫性疾病患者分离的MSCs存在形态和部分功能异常，这意味着正常的MSCs移植可以恢复MSCs的功能并缓解疾病。

间充质干细胞临床应用的不足及改进途径

间充质干细胞的临床应用已有三十多年的历史，目前正在进行数千项临床试验（http://clinicaltrials.gov）。然而，只有少数基于间充质干细胞的治疗产品已被批准用于临床。

仍有许多关键的临床前和临床挑战有待解决，主要集中在间充质干细胞的细胞制备方法、一致性、效率、重现性、处理时间、可扩展性和纯度等领域。因此，未来对MSC预处理的研究有可能改善结果并促进临床MSC的实施。

MSC释放一系列复杂的活性成分，这些成分受到宿主微环境（炎症状态、缺氧和ECM）的影响，从而形成高度可变的因素，从而塑造其独特的功能。为了在临床应用中获得优异的治疗效果，研究人员在使用各种方法治疗间充质干细胞方面取得了进展，包括基因工程、干细胞接合、药物或细胞因子干预等。

例如，3-甲基腺嘌呤的预处理可以抑制MSCs的自噬；血小板源性生长因子BB (PDGF-BB) 预处理可通过PI3K/Akt通路促进MSC迁移并抑制过氧化氢诱导的MSC凋亡。从nlrp3-KO小鼠中提取的MSC促进成骨分化而不影响MSC的表型。

在糖尿病视网膜病变大鼠模型中，移植经他克莫司预处理的间充质干细胞后，视网膜血管形成、视网膜功能和葡萄膜炎均得到改善。这些创新为间充质干细胞的临床应用提供了新的、令人兴奋的选择（图1）。

为了增强间充质干细胞（MSCs）的增殖、免疫调节、生长因子分泌等功能，人们采用了多种方法，如微小RNA和特殊基因转染、与其他干细胞的组合以及缺氧/炎症因子的治疗等。miRNA：微小RNA；TNF：肿瘤坏死因子；IFN-γ：干扰素-γ；MSC：间充质干细胞；VEGF：血管内皮生长因子；VEGFR：血管内皮生长因子受体；PDGF：血小板衍生生长因子；PDGFR：血小板衍生生长因子受体；IGF：胰岛素样生长因子；IGFR：胰岛素样生长因子受体；DC：树突状细胞；NK：自然杀手。

此前，我们实验室尝试了多种方法来增强MSCs的功能。

一种可能的方法是在HUMSC中过度表达c-jun质粒，通过放大糖尿病大鼠伤口组织中的PDGFA和肝细胞生长因子水平来加速伤口愈合，从而促进伤口处的血管生成和上皮再形成。

另一种可能的解决方案是用ECM包裹MSC，我们证明，它可以通过刺激血管内皮生长因子-α、PDGF和表皮生长因子的表达来促进糖尿病大鼠的伤口愈合。

此外，我们还比较了注射间充质干细胞、内皮集落形成细胞 (ECFC) 和透明质酸的糖尿病足患者多个独立伤口的愈合率。自控伤口仅采用常规疗法并用水胶体敷料覆盖，我们的研究结果表明，脐带间充质干细胞、ECFC和透明质酸联合使用可以安全地加速难治性糖尿病足溃疡的愈合。

现在已经证明激光预处理也可以增强MSCs的功能。

• Chen等证明低水平可控蓝光发光二极管照射可以增强细胞内钙活性水平，从而增强人牙髓来源的MSCs的成骨分化。
• Wen等人将MSCs封装在普鲁士蓝纳米颗粒和甲基丙烯酸明胶水凝胶中，并将MSCs复合物暴露于1.0W/cm2的808nm激光10min进行植入。激光预处理可以提高MSCs的活力并加速肌肉的再生。

所有这些结果表明激光预处理可能是进一步增强间充质干细胞临床应用的新策略。

一般来说，学术界对于间充质干细胞缺氧干预的结果尚无共识。大量研究表明，在低氧（1%-5%）条件下连续培养的间充质干细胞通常表现出增强的增殖潜力和良好的干性维持。缺氧显着诱导MSCs大量分泌血管生成和抗炎细胞因子并增强MSCs的迁移能力。但多项实验也证明缺氧环境下MSCs的凋亡率增加，提示缺氧对MSCs的影响还需进一步研究。

干扰素-γ（IFN-γ）增强间充质干细胞的抗炎和治疗纤维化特性并促进其存活；理论上，IFN-γ与低氧培养相结合可以增强MSCs的治疗功能。

供体和受体之间的免疫相容性是降低免疫排斥风险的关键因素，但它受到环境炎症分子的影响，可诱导MSCs中MHC-II的显着表达。进一步降低MSCs的免疫原性是提高MSCs功效的另一个重要途径。很明显，IFN-γ和IFN-γ/转化生长因子β1许可增强了MSC对T细胞增殖的免疫调节作用。

肿瘤坏死因子-α预处理可以提高MSCs治疗动脉粥样硬化的疗效。在“缺氧和炎症因子预处理增强人脐带间充质干细胞的免疫抑制特性”的研究中，研究人员用缺氧（2%O2）暴露和炎症因子（白细胞介素-1β、肿瘤坏死因子-α、干扰素-γ）。暴露24小时后，他们发现预处理导致UC-MSC伸长，但不影响活力、增殖或大小。

此外，他们证明这种预处理增强了与免疫调节相关的基因和蛋白质的表达，增加了外周血单核细胞和自然杀伤（NK）细胞的增殖率，同时不同程度地抑制了NK细胞诱导的毒性。本文通过详细的实验数据，进一步揭示了缺氧联合炎症因子预处理可以增强MSCs的功能，为MSCs的临床应用提供了新的方案。

结论

炎症因子与低氧预处理相结合是增强间充质干细胞功能的有效途径。缺氧浓度、炎症因子类型和浓度以及预处理时间对MSC的功能有显着影响。该领域的深入研究将产生更好的结果并促进临床间充质干细胞的利用。

参考资料：We offer our perspective on the groundbreaking study titled “Hypoxia and inflammatory factor preconditioning enhances the immunosuppressive properties of human umbilical cord mesenchymal stem cells”, and recently published in the World Journal of Stem Cells.
Wan XX, Hu XM, Xiong K. Multiple pretreatments can effectively improve the functionality of mesenchymal stem cells. World J Stem Cells 2024; 16(2): 58-63 [PMID: 38455107 DOI: 10.4252/wjsc.v16.i2.58]

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