间充质基质细胞 (MSC；又称间充质干细胞) 可促进愈合并减少炎症。许多后期临床试验都显示出有希望的治疗反应，但其他一些试验尚未达到其主要终点，这使得将MSC转化为临床实践变得困难。这些不一致可能与MSC输送途径、缺乏产品优化或临床试验中接受的背景疗法随时间变化有关。因此，随着间充质干细胞治疗的研究越来越广泛并且可能在临床上可用，必须考虑和优化给药途径和作用机制。

本文主要阐述讨论间充质干细胞输送的不同途径，重点介绍治疗作用的拟议机制以及潜在的安全问题^[1]

为什么说干细胞不同的给药途径，会成为影响干细胞治疗疾病疗效的关键因素?

干细胞不同的给药途径成为影响细胞改善疾病的关键因素，主要基于以下几个方面：

• 细胞分布和归巢性：干细胞具有主动归巢到损伤部位的功能，不同的给药途径会影响干细胞在体内的分布，从而影响其归巢效率。例如，静脉注射的干细胞可能会在肺部被大量截留，而局部给药则可以直接将细胞送达至损伤部位，提高治疗效果。
• 药代动力学和生物学特性：干细胞的给药方式会影响其进入体内后的行为，包括药代动力学和生物学特性。注射点部位、注射器、载体材料和缓冲液等因素都会影响细胞的给药效果。
• 治疗效果的差异性：不同的给药方式会导致治疗效果产生显著差异。例如，局部给药可以更精准地引导干细胞到达病灶，提高疗效，而全身给药可能因为细胞无法有效到达目标组织而影响治疗效果。
• 安全性和创伤风险：局部给药虽然可以提高疗效，但也存在造成新的创伤或并发症的风险。选择合适的给药方式可以减少这些风险。
• 细胞存活和保留时间：局部给药后，细胞在给药部位的保留时间和存活率是一个挑战，这影响治疗效果。不同的给药途径可能会影响细胞的存活时间和数量。
• 免疫介导的损伤和细胞凋亡：局部给药后，免疫介导的损伤和细胞凋亡也会影响细胞的存活，从而影响治疗效果。
• 治疗方案的个体化：不同的适应症、病程和治疗诉求需要不同的给药方式。例如，在治疗缺血性卒中慢性期阶段的方案中，局部给药比全身给药更有效。
• 旁分泌作用：MSCs的旁分泌作用，包括分泌细胞外囊泡和细胞因子以及免疫应答修饰等，与全身用药比较而言，MSCs以靶向局部注射的给药方式注射到机体病灶区可以有效的增加MSCs的旁分泌活性，从而延长/增强干细胞疗法的治疗潜力。

01间充质干细胞的给药途径有哪些？

给药途径的选择似乎是影响细胞疗法分布、保留、存活和疗效的最关键因素之一。目前尚未建立黄金标准，需要进一步研究。对于目前的细胞疗法，途径包括直接局部给药至组织和器官，以及通过动脉内、静脉内 (IV) 和腹膜内 (IP) 注射进行全身给药，尽管关于最后一种途径的数据非常有限。

这些方法大致可分为两类：全身给药和局部给药（图1，说明了MSC注入心脏的全身和局部途径）。

(A) 静脉 (IV) 输注间充质干细胞 (MSCs；未显示外周IV) (Sys)。

(B) 通过经心内膜注射 (TESI) 施用MSCs (Loc)。

(C) 直接心外膜注射MSCs (Loc)。

(D) 通过冠状动脉内输注输送MSCs (Sys)。

其中间充质干细胞（MSCs）的全身给药方式主要包括以下几种：

1、静脉注射：这是全身MSC输送的主要方法，被认为是人体临床试验中常规且安全的方法。静脉输注允许MSCs通过血液循环到达全身各个部位，包括关节的炎症区域。

2、动脉注射：与静脉注射相比，动脉内（IA）注射方法更有效，因为它减少了肺中的细胞捕获，并诱导目标组织损伤部位的移植细胞迁移。

3、腹膜内注射：尽管腹膜内（IP）给药在临床试验中并不像静脉注射那样常用，但临床前研究已证实它们在各种疾病康复中的治疗作用。

这些全身给药方式各有其优势和局限性，选择最合适的给药途径需要根据具体的疾病状况和治疗目标来决定。

间充质干细胞静脉给药

间充质干细胞（MSCs）静脉注射的特点主要包括以下几个方面：

• 操作简便、侵袭性小：静脉输注因其操作简便、侵袭性小、可重复性强，成为临床试验中优先选择的给药方式。

• 归巢能力：静脉注射的MSCs会归巢到炎症部位和组织损伤部位。MSCs具有很好的趋化特性，能穿透血管壁，故静脉或局部注射均能自动趋化到损伤的组织部位。

• 剂量要求：静脉注射MSCs的剂量通常是≥1×10^6细胞/kg，且多次给药比单次注射更有益。
• 免疫调节作用：MSCs具有免疫调节功能，能通过细胞间相互作用及产生细胞因子抑制T细胞的增殖及其免疫反应，从而发挥免疫重建的功能。
• 抗炎作用：通过调节各类炎症因子，如IL-6等，MSCs可抑制炎症发生发展，改善全身炎症反应和提高患者生活质量。
• 促进细胞组织修复：MSCs因其多向分化能力、免疫调节和抗炎作用、损伤部位的归巢和迁移能力以及对内源性组织祖细胞的刺激作用，促进细胞修复和组织再生。
• 安全性和有效性：许多接受了静脉滴注间充质干细胞治疗的病人都有一个很好的身体感觉，代谢改善，增强肌肉和关节强度。间充质干细胞治疗具有安全可靠、无免疫排斥、不产生疤痕以及更自然的感观等优点。
• 快速清除问题：由于“首过效应”，静脉注射的间充质干细胞主要滞留在肺部，注射后迅速消失。这可能会影响治疗效果，最终成药进入临床应用的很少。
• 治疗多种全身性疾病：系统注射的MSCs可以到达全身，可以治疗多种全身性疾病，但缺点是趋化效率低，只有非常少的细胞真正到达受损部位发挥治疗作用。

这些特点综合了MSCs静脉注射的优势和局限性，为临床应用提供了重要的参考依据。

间充质干细胞动脉给药

间充质干细胞（MSCs）动脉给药的特点主要包括：

在某些治疗适应症中，动脉内 (IA) 输送可能被证明是最有效的方法。

• 提高疗效：相较于其他给药方式，动脉注射方式可见更为明显的疗效。研究表明，动脉注射组改善最迅速且最明显，并明显增强梗死侧胼胝体区髓鞘的重建。

• 更多的细胞聚集：动脉移植组在注射后早期有更多聚集于梗死灶周围，这可能有助于提高治疗效果。

• 绕过肺系统：动脉注射可以绕过肺系统，更有效地将细胞导向大脑的缺血部位，这对于治疗脑卒中等疾病尤为重要。

• 安全性：有研究指出动脉注射安全且具有更好的治疗效果。

• 减少脑损伤风险：尽管有研究表明动脉注射与静脉注射相比有可能增加脑损伤的风险，但也有研究未能明显改善神经功能，这表明动脉给药的安全性需要根据具体情况评估。

• 提高趋化效率：经动脉注射可以相对提高MSCs向损伤组织的趋化效率。

• 微血栓产生风险：体积较大的MSCs经动脉注射后易在微动脉聚集，可能产生微血栓，提示经动脉注射MSCs存在较高的治疗风险。

• 靶向性：动脉给药可以更精确地将MSCs输送到特定的组织或器官，如心脏或大脑，这对于治疗局部缺血性疾病特别有用。

• 技术挑战：尽管动脉给药具有上述优势，但也存在技术挑战，如需要精确的注射技术和对血管的精确定位。

综上所述，动脉给药在提高MSCs治疗效果、靶向性和趋化效率方面具有明显优势，但同时也伴随着一定的风险和技术挑战。在实际应用中，需要根据患者的具体情况和疾病特点来选择最合适的给药途径。

间充质干细胞腹腔给药

腹腔注射间充质干细胞（IP）有一定的益处，但这种方法的命运、益处和局限性尚未得到很好的研究。IP注射可降低细胞从腹腔移出的速度，从而避免可能致命的肺血管快速栓塞，并允许注射更多细胞。

与静脉注射相比，IP注射间充质干细胞在多种疾病的临床前模型中具有相似甚至更深远的效果。

与静脉注射相比，IP注射的MSC在多种疾病的临床前模型中具有相当甚至更深远的效果。MSC在这些和其他疾病模型中的有益作用与其改变先天和获得性免疫系统的能力有关。

间充质干细胞局部给药

局部给药包括：包括鞘内注射、病灶内注射和心内膜注射等，适用于特定区域或器官的治疗。

将MSCs局部注射到靶组织或损伤部位附近具有重要优势，包括反应快速、局部化。细胞可以被注射到精确的目标位置，从而增加植入机会（与组织再生相关）并延长其治疗潜力（直接旁分泌支持）。

与生物材料/支架一起局部注射到损伤部位可以降低肺梗塞或心肌梗塞的风险。从支架上迁移的细胞倾向于单独迁移，因此不太可能在肺中聚集。

然而，局部给药也存在风险，例如高密度给药时细胞会诱导细胞凋亡。许多局部细胞递送途径都存在“冲刷”效应，尤其是心肌内注射。在侵入性手术中，针头或导管会对心脏组织造成机械损伤，打开血管并在心肌中留下针孔，从而形成一个空间，悬浮细胞可以通过该空间。

下文将详细讨论局部给药的其他特性。

02间充质干细胞局部给药后的作用机制

由于MSC在治疗组织损伤方面具有重要的临床意义，因此迫切需要更好地描述MSC局部注射后的作用机制。人们提出了MSC发挥其有益作用的几种可能机制。

尽管早期有证据表明MSC直接分化和细胞替换，但最近的研究强烈表明，它们最重要的作用机制可归因于它们能够分泌旁分泌因子，包括细胞外囊泡 (EV) 和细胞因子，将线粒体转移到附近的细胞 (图2）、迁移并改变免疫反应（免疫调节）。

间充质干细胞的旁分泌因素

间充质干细胞会释放大量生物活性因子（如细胞因子、趋化因子、激素、生长因子和miRNA），对局部细胞动态产生深远影响。这些旁分泌因子构成了一个复杂网络的一部分，可保护损伤组织，促进内源性修复/再生机制和免疫介导的吞噬作用 ，从而产生长期的有益影响。

间充质干细胞的细胞间接触

间充质干细胞（MSCs）的细胞间接触在它们的免疫调节作用和组织修复中扮演着重要角色。以下是一些关键点，概述了MSCs细胞间接触的机制和作用：

• 免疫调节：MSCs能够通过细胞间接触抑制自然杀伤细胞（NK细胞）的增殖、细胞毒性和细胞因子产生。研究表明，MSCs可以抑制IL-2诱导的NK细胞增殖。此外，MSCs与NK细胞之间的相互作用能够导致NK细胞激活受体表面表达的下调，从而抑制NK细胞的细胞毒性。

• 促进肿瘤发展：MSCs与肿瘤细胞之间的复杂相互作用促进肿瘤进展，通过创造有利于肿瘤细胞增殖、血管生成、运动、侵袭和转移的环境。MSCs可以通过细胞接触、释放旁分泌因子和通过细胞外囊泡（EVs）转移生物物质来调节肿瘤生长。

• 与内皮细胞的相互作用：MSCs与血管内皮细胞之间的直接细胞接触可以诱导MSCs表现出类似周细胞的表型，这在血管新生和组织再生中可能起到关键作用。此外，MSCs通过细胞间接触能够调节内皮细胞的增殖和血管生成，部分是通过VE-Cadherin/β-catenin信号通路的调节。

• 旁分泌因子的增强：研究表明，促进细胞间接触的生物材料可以增强MSCs的旁分泌功能。在三维培养中，与水凝胶中包埋的MSCs相比，种植在支架上的MSCs显示出增强的分泌谱，并对外胚层细胞如肌细胞前体产生有益的旁分泌效应，这部分可以归因于N-cadherin介导的细胞间相互作用。

• 抗衰老作用：MSCs的抗衰老作用部分是通过旁分泌方式和直接的细胞间接触实现的。它们分泌的可溶性旁分泌因子包括IL-10（一种抗炎和免疫调节细胞因子）、与组织修复潜力相关的IL-6和IL-8，以及能够促进CD8+T细胞和Treg细胞发育同时抑制Th1的TGF-β。此外，MSCs还表达FasL和PD-L1以进行接触依赖性抑制以诱导T细胞凋亡。

综上所述，MSCs的细胞间接触在它们的免疫调节、促进肿瘤发展、与内皮细胞相互作用、旁分泌功能增强以及抗衰老作用中起着至关重要的作用。通过这些机制，MSCs能够在多种生物学过程中发挥关键作用，包括组织修复、免疫调节和肿瘤微环境的塑造。

间充质干细胞的免疫调节

MSC具有广泛的免疫调节能力，能够影响适应性和先天性免疫反应。目前的证据表明，MSC对同一类型的免疫细胞发挥不同的免疫调节作用，具体取决于局部微环境或疾病状态。

以下是间充质干细胞在免疫调节方面的几个关键点：

• 对单核细胞/巨噬细胞的影响：MSCs能够削弱单核细胞/巨噬细胞的吞噬和抗原呈递能力，并促进这些细胞表达免疫抑制分子，如白介素（IL）-10和程序性细胞死亡蛋白1配体1（PD-L1）。

• 对树突状细胞的影响：MSCs能有效抑制树突状细胞的成熟，降低它们产生促炎细胞因子的能力，并减少对T细胞的激活。

• 对T细胞的影响：MSCs抑制CD4+T辅助细胞（Th1和Th17）的生成和促炎特性，同时促进调节性T细胞（Tregs）的增殖和抑制能力。此外，MSCs还能削弱促炎CD8+ T细胞的扩增、细胞因子分泌和细胞毒性活动。

• 对B细胞的影响：MSCs抑制B细胞的分化、增殖和抗体分泌，并促进产生IL-10的调节性B细胞（Bregs）。

• 旁分泌机制：MSCs通过旁分泌机制，涉及TGF-β、HGF、PGE2、HLAG-5、IL-6、CCL-2、CCL-5等因子，加强其在局部淋巴细胞中的作用。

• 免疫逃逸机制：MSCs通过产生免疫调节分子（如IFN-γ、COX2、PGE2和IDO）的细胞-细胞相互作用从免疫系统中逸出。

• 临床应用：由于MSCs的免疫抑制特性，它们已成为治疗炎症性疾病（如急性移植物抗宿主病、器官/细胞移植中的移植物排斥反应和自身免疫疾病）的有前景的工具。

• 双向免疫调节作用：MSCs是免疫环境的“调和剂”，具有双向免疫调节作用，根据局部微环境的不同，可以表现出截然相反的免疫调节能力。

• 免疫调节特性的差异性：MSCs的免疫调节特性随细胞来源和细胞质量等因素的不同而不同。

• 与B细胞的联系：人源性MSCs通过接触依赖机制改善静止B细胞的存活，并抑制依赖T细胞的B细胞分化。

这些特性显示了MSCs在调节免疫反应和治疗免疫相关疾病方面的潜力。

间充质干细胞的迁移（归巢）的机制

间充质干细胞（MSCs）的归巢是指这些细胞能够定向迁移到特定的组织部位，特别是在机体受到损伤、缺血或缺氧时，MSCs能够被吸引到这些损伤部位进行修复和再生。以下是关于MSCs归巢机制的一些关键点：

• 归巢的定义：2009年，Karp等建议将“MSCs归巢”定义为MSCs在目标组织的脉管系统里被捕获，随后跨越血管内皮细胞迁移至目标组织的过程。

• 归巢的发现过程：1983年，Gallatin首次提出“归巢”概念，原本指淋巴细胞的归巢。后来这一概念被引申到干细胞，包括MSCs。

• 归巢机制：MSCs的归巢效应涉及多种因素，包括趋化因子及其受体。MSCs表面广泛表达不同趋化因子、生长因子等受体，这些受体与相应配体结合，驱动MSCs归巢。损伤部位的信号分子和MSCs表面受体相一致，使得机体内或外源移植的干细胞顺利归巢至微环境。

• 趋化因子的作用：一些趋化因子如CXCL12（SDF-1α）、CXCL16、CCL19、TGF-β1、表皮细胞生长因子、血小板源生长因子BB等与MSCs上的相应受体相互作用，是引起MSC靶向迁移的重要因素。特别是CXCL12及其受体CXCR4被认为是吸引MSC迁移的一对非常重要的细胞因子及其受体。

• 归巢的步骤：MSC归巢可以分为非系统归巢和系统归巢。系统归巢由受损或发炎组织释放的归巢促进因子引导，分为五个连续步骤：滚动、激活、牢固的粘附、爬行和跨内皮迁移。

• 归巢的重要性：归巢能力是MSCs安全有效应用于临床的关键。微环境的改变是MSCs归巢的始动因素，组织损伤局部表达多种趋化因子、黏附因子、生长因子等各种信号分子，吸引MSCs定向到达该组织。

• 归巢的靶向性：MSCs能够选择性归巢于多种组织的损伤部位。不同的微环境分泌不同的信号分子，吸引MSCs定向到达该组织。干细胞归巢可以归到各个脏器、炎症及创伤部位，甚至肿瘤部位。

这些机制共同作用，使得MSCs能够像内置了一部“智能GPS”导航系统一样，寻找并定居于损伤部位，发挥其治疗作用。

03局部注射间充质干细胞治疗特定疾病的有效性和安全性

截至2024年，已注册的临床试验中，间充质干细胞的给药几乎在全身给药和局部给药之间平分秋色，大多数晚期临床试验采用局部给药，例如通过鞘内注射、鞘内注射和心内膜途径，分别用于治疗背痛、肛周瘘和慢性心力衰竭。

间充质干细胞的直接原位给药是一种可控性更强的给药方法，可直接作用于局部损伤，通常能产生更好的治疗效果。例如，对缺血性中风模型中临床前间充质干细胞研究的荟萃分析表明，与动脉内或血管内注射间充质干细胞相比，在受损部位注射间充质干细胞能更有效地改善神经系统严重程度评分，尽管动脉内和静脉内直接注射间充质干细胞也能显著改善预后。

局部注射间充质干细胞在心血管中的作用

将MSCs局部注射到心血管系统会产生积极的结果。通常，冠状动脉内和心肌内（心外膜和经心内膜）注射是心血管疾病中两种最广泛使用的细胞疗法。

冠状动脉内注射将细胞输送到一条主要冠状动脉（左前降支、左回旋支或右冠状动脉）。这种给药途径比心肌内注射侵入性更小，心肌内注射通常需要手术干预或心内膜通路，一些研究报告称冠状动脉内和心肌内注射同样有效。

2016年，循环杂志一项研究对急性心肌梗死的MSC治疗临床前和临床研究的荟萃分析得出结论，经心内膜干细胞注射 (TESI) 表现出最大的梗死面积减少和左心室射血分数 (LVEF) 增加。相比之下，冠状动脉内输送没有显示任何改善。

在心脏中，TESI似乎是局部施用MSCs的首选方法，它是一种微创、基于导管的输送途径，将细胞通过心内膜直接注射到心肌中。使用TESI 作为输送途径的猪研究表明，梗塞疤痕减少，LVEF改善。TESI还在急性心肌梗死 (AMI) 临床试验中改善了LVEF。

局部注射间充质干细胞在神经系统中疗效的作用

MSCs因其治疗神经系统疾病的潜力而备受关注。在神经元损伤的情况下，在大鼠中风模型中，向病变部位局部注射MSCs可改善协调功能，抑制疤痕组织形成和细胞凋亡，并刺激血管生成。

神经修复和神经保护作用是MSCs的一种组织修复特性，主要表现为两种作用机制：

(1) 神经源性分化和细胞替换，

(2) 神经营养因子的分泌。

MSCs可显著缓解缺血性损伤，而这种挽救作用源于移植细胞分化为神经元和星形胶质细胞。相反，MSCs对神经再生的旁分泌作用是通过神经营养因子的分泌发生的。

用 (外源性) MSC衍生的外泌体接种皮质神经元可增强其生长促进和靶标激活作用，而MSC条件培养基通过增加神经生长因子 (NGF) 和脑源性神经营养因子 (BDNF) 表达来增强施万细胞活力和增殖。

局部注射间充质干细胞在骨科中的作用

近年来，关节腔局部注射MSCs可促进软骨组织再生修复，减轻骨关节炎（OA）引起的退变。

一项I/II期临床试验表明，向OA患者膝关节注射BM-MSCs与软骨生物标志物的表达有关，可减少滑膜炎症，减轻疼痛和症状，且未发生任何严重不良事件。

2017年，美国运动杂志的一项概念验证I/II期临床试验表明，向OA膝关节内注射1.0×108AD-MSCs可改善膝关节功能、减轻膝关节疼痛，并通过再生透明样关节软骨减少软骨缺损，且不会引起不良事件。

局部注射BM-或AD-MSC可显著改善骨愈合。尽管BM-和AD-MSC之间的分子线索存在差异，但两种细胞类型诱导的骨形成量和特性相当。直接注射到骨折部位的骨髓抽吸物成功修复了60处未愈合骨折中的53处，局部注射成骨细胞也加速了长骨骨折的骨修复。

MSC还可能通过与滑膜巨噬细胞相互作用刺激软骨再生，从而减少促炎细胞因子（如IL1β）。事实上，注射到OA膝关节中的MSC会接触滑膜巨噬细胞，并能够诱导向M2细胞的极化，从而促进组织修复。

MSCs不仅可以分化为肌腱细胞（腱细胞），还可以调节炎症和组织愈合。

目前正在进行多项研究MSCs在肌腱愈合中的应用的临床试验(NCT03688308、NCT01788683、NCT02484950、NCT03449082、NCT03279796、NCT03752827、NCT03454737）。

局部注射间充质干细胞在皮肤病学中的作用

在皮肤病学中，局部应用MSCs可改善烧伤、糖尿病和其他慢性疾病的治疗效果、伤口愈合和皮肤移植成活率。临床前数据表明，将BM-MSCs局部注射到切口全层伤口中可显著缩短愈合时间，同时刺激血管生成、上皮再生和肉芽形成。

局部注射间充质干细胞在胃肠病学中的作用

MSC疗法最近已获得欧洲药品管理局 (EMA) 的批准，用于治疗肛周瘘管性克罗恩病。Darvadstrocel由MSC组成，当细胞被注射到内口和外口以及瘘管内时，可安全有效地诱导瘘管愈合。

04总结

随着MSC临床试验的发展，至关重要的是要记住历史安全问题，认识到现代临床风险，并使用与预期作用机制一致的方法和给药方式，以产生最有效、最安全、最经济可行和最符合道德的治疗方法。

在理解MSC疗效的潜在机制方面仍然存在知识空白，这些机制可能在不同的组织中是独一无二的。我们必须确定来自不同组织的MSC是否对不同的疾病更有治疗作用，或者同种异体MSC是否在所有或仅特定疾病中比自体MSC更有治疗作用。鉴于MSC的可塑性和旁分泌介导的免疫调节活性，它们在各种临床环境中的有效性研究越来越多，并呈现出令人鼓舞的结果。

综上所述，干细胞的给药途径直接影响细胞的分布、归巢、存活、治疗效果以及安全性，是影响细胞改善疾病的关键因素。

因此，根据具体的疾病和治疗目标选择合适的给药途径对于提高干细胞治疗的疗效至关重要。随着研究的深入，我们有望进一步优化MSCs的临床应用，为患者提供更有效、更安全的治疗方法。

参考资料：[1]:Bagno LL, Salerno AG, Balkan W, Hare JM. Mechanism of Action of Mesenchymal Stem Cells (MSCs): impact of delivery method. Expert Opinion on Biological Therapy. 2022 Apr;22(4):449-463. DOI: 10.1080/14712598.2022.2016695. PMID: 34882517; PMCID: PMC8934282.

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