自体疗法对组织愈合和再生的促进作用的研究进展

目前再生医学研究可以通过组织工程与修复技术实现人体部分组织器官再生，设计细胞和组织生长成为健康的功能器官取代患病器官，引入新基因以对抗疾病，干细胞定向分化修复损伤组织器官等。多数情况下，再生医学依赖于从零开始在体外构建组织，利用细胞和生物材料，将其移植到宿主体内，为构建新的组织提供细胞来源，如最常见的干细胞移植治疗策略[1]。

然而，这些策略存在一定的局限性，包括难以获得高质量足够数量的自体来源细胞，无法进行大规模临床应用；异体或异种细胞移植时，需要长期免疫抑制，这可能会降低治疗效果；宿主状态如高龄、持续慢性炎症等不良微环境均可能影响宿主组织功能整合和移植效果。而随着应用精确操控内源性组织微环境的微创方法，再生医学有望迎来自体疗法这一新的治疗模式。

自体疗法利用干细胞和发育生物学、免疫学、细胞重编程、生物工程、材料科学、药物传递和成像工具的新技术，强调诱导最佳内源性组织愈合和再生。同时，需要外源性干预参与调节患者疾病组织的微环境状态，优化促再生策略[2]。自体疗法不应与组织工程和再生医学分开看待，事实上，它们是该领域不可分割的一部分，需考虑多系统相互作用。虽然精确控制活体内环境的能力还处于初级阶段，但随着自体疗法研究的不断深入，对于内源性组织愈合和再生机制更加清楚，可以为再生医学治疗提供有力的策略[3]。

一、不单独依赖干细胞治疗的干细胞龛（微环境）在自体治疗中的作用

控制干细胞微环境的机制十分复杂[4]。成功的自体疗法取决两点，第一，揭示干细胞微环境控制的机制，并确定其多个节点的组织层次；第二，开发针对性干预这些节点的方法，优化内源性愈合和再生。

出生后哺乳动物组织和器官的再生能力差异很大，成人小肠上皮和口腔黏膜可以周而复始的再生，而大脑和心脏的再生能力却很低[5]。皮肤和口腔黏膜的愈合能力强，研究发现在口腔和皮肤角质形成细胞中表达的一组转录调节因子，使口腔黏膜具有良好的伤口愈合能力[6]。虽然不同组织再生能力差异的具体机制尚不清楚，但已知这是由干细胞的内在机制和外在机制共同造成的。

目前认为干细胞不是孤立地发挥作用，而是由信号生物分子、细胞-细胞相互作用、细胞外基质和免疫细胞网络相互作用的方式紧密协调，干细胞微环境负责调控干细胞的自我更新、分化、迁移、归巢和存活[7]。此外，细胞外基质在伤口愈合和再生中起着关键作用。

干细胞微环境的潜在作用机制各不相同，但在不同的微环境体系中有相关的类似机制。比如研究发现，Wnt、Notch和成纤维细胞生长因子在内的几种信号通路是干细胞微环境调节的主要节点，这些信号通路直接作用于干细胞以调节其功能。在小鼠肠道微环境中，紧邻肠道隐窝干细胞的潘氏细胞分泌的Wnt3 直接转移到邻近的干细胞中，以控制它们的自我更新、增殖和分化[8]。此外，体外实验研究发现在发育过程中，Notch 信号在肺干细胞的自我更新和分化中起关键作用，能够调节和促进受辐射损伤的肺干细胞的存活[9]。另有研究发现在不断生长的成年小鼠切牙中，注射抗Notch 通路抗体会导致牙釉质形成缺陷[10]。因此，考虑到微环境强大的功能效应，以时空方式操纵这些信号通路，可能是一种理想的促进内源性愈合和再生的自体治疗策略。

（一）细胞外基质：微环境的结构信号组织者

细胞外基质传递细胞与其微环境之间的各种生物信息。哺乳动物骨骼肌中信号传导途径如下：卫星细胞-特异性的组织-小型多能干细胞，共同存在于由蛋白多糖、Ⅳ型胶原、层粘连蛋白和其他细胞外基质组成的三维细胞外基质微环境中[11]。当卫星细胞与细胞外基质和邻近的卫星细胞接触时，它们会保持静止状态，这种现象可以通过体外与工程肌纤维结合，在人工细胞外基质上的小鼠及人卫星细胞上重现[12]。然而，当正常组织结构被外伤等再生刺激破坏时，将产生生物力学信号，促使卫星细胞从静止状态过渡到活化状态，动员它们再生。在分子水平上，对小鼠肌源性细胞系MM14的体外研究表明，丝裂原活化蛋白激酶介导的信号控制静止卫星细胞活化和启动细胞周期，这种普遍存在的级联作用是骨骼肌细胞静止和再生之间的一种转换[13]。人工细胞外基质特性如刚度和弹性，是控制干细胞自我更新、分化和命运的微环境参数。这些特性在慢性纤维化状态中发挥关键作用，通过过度产生、沉积和积累具有病理僵硬力学特性的细胞外基质来干扰再生[14]。

（二）神经、血管和免疫系统在干细胞微环境中的作用

组织内神经细胞介导的信号参与调控再生，遗传谱系追踪显示，经照射后小鼠唾液腺中表达转录因子SOX-2的干细胞群的重组依赖于副交感神经支配，副交感神经元的激活剂可以替代恢复唾液腺功能所需的神经[15]。此外，大量研究证实在不同组织系统中，血管细胞有促进组织再生的积极作用[16]。在毒素诱导的脱髓鞘小鼠模型中，血管周围细胞能够刺激中枢神经系统少突胶质前体细胞分化[17]。内皮细胞通过血管生成素-2的作用，在小鼠肝脏再生的不同阶段以时空方式协调肝细胞增殖[18]。

此外，免疫系统在控制干细胞微环境方面也发挥至关重要的作用。尽管炎症反应会严重影响组织愈合，但最新研究表明免疫系统与干细胞微环境存在更为直接的相互作用。小鼠肠道干细胞微环境中存在大量巨噬细胞，巨噬细胞的耗竭会破坏微环境的平衡，并影响肠道干细胞和附属细胞的分化，这表明肠道干细胞微环境的维持需要巨噬细胞[19]。同时，研究人员证实巨噬细胞在小鼠骨化愈合模型骨化后期的重要作用，这与巨噬细胞在炎症消退中的作用不同[20]。同样在小鼠乳腺干细胞系统中，巨噬细胞是干细胞微环境的重要功能元件，其结合Notch和Wnt 信号通路传导[21]。

深入研究免疫系统在干细胞微环境中的作用，对自体疗法等参与的再生医学发展具有重要意义。Ballestas 等[22]最新研究使用免疫调节自体疗法改善大鼠硬腭黏膜伤口愈合，同样说明了免疫调节在自体疗法中的重要性。如上所述，两栖动物具有优越的再生能力，并且已经认识到它们对损伤免疫应答的特定特征，至少能够部分解释这种再生多个器官的能力，从而提供了制定人类再生疗法的潜在线索[23]。

二、重建组织的再生微环境模式化

在设计实用的组织再生疗法（包括自体疗法）时，应考虑将它们用于治疗患有慢性疾病、炎症、感染疾病相关组织破坏的患者。然而，目前可用于组织再生疗法的相关动物模型并不多。这也是组织再生疗法动物研究与临床研究结果不一致的重要原因之一。人体再生疗法的潜在疗效可能会因持续的组织破坏而减少甚至消除。在人类疾病的背景下，单独优化再生可能是不够的，因为新构建的组织可能被“不友好”宿主的环境破坏。因此，自体疗法的重点应该是将病变组织的微环境模式转化为允许组织再生的生殖状态。

重建再生模式涉及组织的多种微环境，包括免疫系统、细胞代谢、氧合张力和微生物组等，均为调节组织微环境提供了坚实的基础[24-25]。调节组织微环境将有助于模拟真实疾病状态的动物模型，重现人类疾病的复杂性，以验证组织的再生策略。比如可以使用老年、免疫系统或微生物群受损的动物构建模型。

另外，值得强调的是一系列特异性促炎症消退介质（specialized pro-resolving mediators，SPMs），例如脂氧素、消退素、保护素和Maresins 等广泛参与重建组织微环境模式。如SPMs是由w-3多不饱和脂肪酸酶促转化生成，是强大的炎症抑制剂、炎症消退促进剂、细胞迁移介质、清除感染和预防再感染的介质[26]。尽管SPMs 在再生医学方面功能仍然知之甚少，但它可能直接控制参与干细胞的增殖和分化。鉴于其广泛的组织调节特性，预处理介质可能是自体疗法的理想目标。例如，利用由紫外线杀灭的大肠杆菌诱导的人皮肤炎症模型，在大肠细菌注射后4 h 将SPMs 施用到发炎的皮肤上，与未处理组比较，SPMs 治疗组中性粒细胞清除率明显提高[27]。此外，一些啮齿动物体内和体外的研究表明，SPMs 可能具有治疗非酒精性脂肪性肝炎相关的炎症和纤维化的潜力[28]。在小鼠中，抗生素引起的口腔微生物紊乱导致牙龈间充质干细胞介导的组织修复缺陷[29]。这些研究均提示微生物组调节工具可能会开发出新的自体疗法，促进炎症消退、组织愈合和再生。

三、打破细胞身份之间的障碍：基于遗传和表观遗传谱系重组的自体治疗

发育谱系通常在组织损伤情况下发生转换。利用谱系转换获得所需细胞的想法值得考虑，特别是对具有较差内源再生能力的组织如胰腺、脑、心脏和牙齿，控制诱导体内谱系转换，也称为直接谱系重编程，是指允许细胞从一种分化状态转移到另一种分化状态，这并不是一个新想法，但截止目前这种尝试一直受到人为和结果不可重复的困扰[30-31]。

组织损伤时再生通常与细胞命运的可塑性有关，这种可塑性常常创造出替代策略来恢复受损或丢失的细胞，或者细胞命运的可塑性也是伴随疾病病理组织转化的一部分[32]。由于神经干细胞具有明显的发育可塑性，在注射到受照射的小鼠宿主时可以自发地产生多种细胞类型[33]。然而，对这一发现很多人存在质疑。尽管早期研究工作存在困难，但随着决定细胞命运的分子机制和转录网络的研究进展，进一步推动新的研究，在这一领域建立基因和维持细胞身份重新引起人们的兴趣。研究发现完全重编程，导致分化细胞产生诱导多能干细胞，用于临床再生治疗、药物开发等[34]。转录调节因子的组合可以弥补细胞类型之间的发育障碍，如何增强细胞内源可塑性以促进再生和逆转病理状态，激发了研究人员对细胞命运调控自体疗法的兴趣。

四、如何使自体疗法成为现实：工具和技术

过去十年生物学和工程学方面的进步为体内控制干细胞及其微环境带来了重大进展。这一进步很大程度归结于新型生物材料的出现，这些生物材料从静态结构和机械单元演变为具有特定化学和物理特性的动态元素，使其能够在体内发挥细胞调节功能。这些新特性可以通过多种方法实现。如聚合物支架的共价修饰可以控制支架材料在数周至数月时间内降解，以促进再生细胞整合到天然宿主组织中。用特定肽进行的支架功能化可以改变细胞黏附和迁移，指导特定的细胞间相互作用。其他有前景的工具包括用于刺激骨骼肌或心肌和其他电活性组织的导电生物材料，形状记忆聚合物能够可逆地成形和重塑，超分子生物材料构建块自组装模块如肽模拟天然的细胞外基质。此外，现代材料制造技术如静电纺丝和3D 打印技术，可以生产具有预先设计结构特性的生物材料，用于将生物分子输送到特定组织[35-37]。如上所述，需要这些类型的功能材料实现有效的自体治疗。

成功的组织再生需要正常的炎症微环境和组织巨噬细胞从促炎症到促生殖表型的转换。一组研究提供了再生创造性组织微环境的例子，在该研究中，应用鼠耳软骨冲击伤模型，通过阻止脯氨酰羟化酶介导的低氧诱导因子1α的降解，可以在通常不再生的Swiss Webster 小鼠中诱导耳软骨再生[37]。实际上，在水凝胶支架的上皮下注射脯氨酰羟化酶抑制剂，控制化合物在4～10 d 内释放，稳定低氧诱导因子1α 水平，并诱导动物的伤口愈合和再生。骨骼肌可在受伤后再生，但严重的损伤往往不能再生，而导致疤痕形成和功能丧失。因为骨骼肌和卫星干细胞对生物力较敏感，研究人员检测是否对受伤的肌肉施加机械压迫可促进其功能再生，他们利用磁响应生物材料，能够响应外部磁体而快速激活，以对组织施加机械力[38]。当植入通常不易愈合的受损胫骨前肌小鼠模型时，活化的生物材料促进功能性肌肉再生。

目前研究结果已经提示自体疗法将成为人体组织愈合和再生的首选策略，并且这一过程将基础科学的进步与工具和技术相结合，从而操控组织微环境以重建结构功能状态。通过增强内源性组织愈合和再生，自体疗法不依赖于外源性细胞操作，克服基于细胞治疗方法的一些局限性。但自体疗法可能会带来其他安全问题，例如，靶向技术的特异性、潜在毒性和致瘤性。着眼未来的发展，美国国立卫生研究院国家牙科和颅面研究所选择自体疗法作为2030年战略规划工作的重点领域。

尽管在过去几十年中，可预测地指导、控制和监测体内细胞和生物材料已经取得了重大进展，但基础科学的发展将是使自体疗法转化为临床实践的关键因素。某些类型的自体疗法转化速度会相对较快，可以设想智能生物分子传递系统以严格控制的预定动力学释放其有效负载，通过向它们提供作为微环境控制的主要节点来重建受损干细胞的功能，但大多数研究转化速度不会更快。应用各种介质来克服慢性炎症和增强组织再生可能是另一种快速发展的自体疗法。总之，由于自体疗法包含了植根于不同科学和技术领域的各种干预措施，需要跨学科研究者努力整合不同学科专业知识。最有效的个性化疗法将来自于将自体疗法内容，如微环境调节，炎症（感染）消退和谱系重编程，与特定患者的疾病特异性结合起来。在这方面，系统生物学，数据科学和计算建模可以提供用于优化自体治疗策略的必要工具。