脐带间充质干细胞在疾病中应用的研究进展

曲宏文，张越林

(西安医学院，陕西 西安)

0 引言

脐带间充质干细胞(Umbilical CordMesenchymal Stem Cells，UCMSCs) 是存在于新生儿脐带并在分化过程中来源于中胚层的具有高度自我更新能力和多向分化潜能的多能干细胞[1]。脐带由三部分构成：羊膜被覆上皮、脐血管和位于两者之间被称为华氏胶的黏液结缔组织。UCMSCs 存在于华氏胶中的一种成纤维样细胞，该细胞具有自我更新、增殖和多向分化潜能。它具有明显的优势：①成本较低；②来源丰富；③是一种较为原始的干细胞，具有极强的可塑性；④与骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)相比，具有更强的扩增能力；⑤无致瘤性和低免疫原性；⑥与 BMSCs 相比，不会随着传代次数增加而导致增殖能力和分化能力下降。

UCMSCs 在体内可以分化为多巴胺能神经元细胞、光敏感感受器神经细胞、内皮细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞等。随着研究的不断深入，UCMSCs 有望成为组织工程研究中极具潜力的种子细胞[2]。UCMSCs 不表达主要组织相容性复合体Ⅱ类分子 (major histocompatibility complex Ⅱ， MHC Ⅱ) 和共刺激分子(CD40、CD80、CD86)[3]，所以不会引起同种异体免疫反应，是一种最有希望的促进机体修复的外源性干细胞，可以应用于各种组织损伤的修复。本文综述了人脐带间充质干细胞(hUCMSCs) 在疾病中的应用研究。

1 人脐带间充质干细胞在宫内粘连疾病中的治疗研究

宫内粘连(Intrauterine adhesion，IUA) 是妇科疾病中最具挑战性的问题之一，可导致不孕不育、反复流产或月经异常。中到重度的宫腔粘连(IUAs) 可能会导致妇女的生育能力严重下降。宫内粘连形成的主要原因是子宫内膜基底层损伤[4]。Yang X 等[5]将hUCMSCs 与受损的胚胎干细胞共培养后，发现血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)表达增强，细胞凋亡相关蛋白(半胱氨酸蛋白酶，caspases 3，8 和9)的表达降低，使受损细胞的增殖显着增加，凋亡率下降。该细胞可作为改善子宫内膜损伤最有希望的治疗方法。Xin L 等[6]制备了载有人脐带间充质干细胞(hUCMSCs) 的胶原支架(Collagen scaffold，CS) 用于治疗子宫内膜损伤，CS /hUCMSCs 移植可促进子宫内膜再生和胶原重塑，并能增强雌激素受体α 和孕激素受体的表达，最终子宫内膜接受胚胎的能力得到了改善，从而恢复生育能力。有实验室研究发现hUCMSCs 移植能减轻子宫内膜损伤引起的过度纤维化，增强子宫内膜细胞增殖和血管重塑，从而修复子宫内膜[7]。在临床对26 例因复发性IUA 引起不孕症的患者研究中，将CS /hUCMSCs复合物移植到患者子宫腔中， 30 个月后随访显示：有10 名已经怀孕，其中8 名已经分娩，胎儿没有明显的先天性缺陷且分娩患者没有胎盘并发症，表明将CS/hUCMSCs 复合物移植到复发性IUA 患者的子宫腔内可以增加受孕的几率并对胎儿的生长发育不受影响[8]。子宫手术或刮宫术可引起子宫内膜损伤，最终不孕或反复流产，其主要原因是子宫内膜纤维化及瘢痕。Ebrahim N 等[9]建立子宫内膜纤维化模型，向尾静脉注射hUCMSCs 后，子宫内膜血管内皮生长因子显着增加，结缔组织生长因子(connective tissue growth factor，CTGF)、肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor，TNF)、白介素6(interleukin 6 IL-6)水平显著降低，增强血管的生成和腺细胞增殖，减少了炎症和纤维化，使粘连的宫腔的恢复通畅。上述研究表明，hUCMSCs 在子宫内膜修复过程中，可促进血管生成，使细胞增殖增加，凋亡减少，增强雌、孕激素受体的表达，最终使受精卵形成，恢复生育能力。

2 人脐带间充质干细胞在肝胆疾病治疗中的研究

肝硬化是由一种或多种原因引起的、以肝组织弥漫性纤维化、假小叶和再生结节为组织学特征的进行性慢性肝病[10]。采用hUCMSCs 移植治疗有减轻肝脏损伤、促进肝脏再生、抗肝纤维化和增强肝脏功能的作用。将hUCMSCs 注射给患有结节性肝硬化患者体内，治疗后患者肝转氨酶水平逐渐下降至正常；腹部超声检查显示肝脏圆形结节尺寸减小，脾脏体积也进一步缩小。表明hUCMSCs 移植能减轻肝损伤、恢复肝功能，为肝脏疾病提供了一种新的治疗方法[11]。

将自身免疫疾病导致肝硬化的患者外周静脉注射同种异体hUCMSCs，经过长期随访观察，患者凝血酶原浓度增加，凝血酶原时间(Prothrombin time，PT)降低；总胆红素的平均值下降；平均血清白蛋白水平、终末期肝病模型(Model for end-stage liver disease ，MELD)评分有所改善[12]。对50 名住院患者静脉注射hUCMSCs治疗失代偿性肝硬化，随访36 周后，患者Child-Pugh 评分显著改善，死亡率显著降低[13]。将hUCMSCs 移植到失代偿性的乙型肝炎肝硬化患者体内，hUCMSCs 可以抑制T 细胞和B 细胞的增殖并能抑制T8 细胞的分化，上调调节性T 细胞(regulatory T-cell，Treg)，促进免疫抑制细胞因子的分泌，减少炎性细胞因子的产生，最终减轻肝脏炎症反应和肝细胞损伤，避免肝脏衰竭[14]。hUCMSCs 可通过抑制miR-199，激活角质形成细胞生长因子(keratinocyte growth factor，KGF) 从而降低了门脉高压和钠水潴留，减缓肝硬化的发展[15]。以上对肝硬化患者进行hUCMSCs治疗研究后，患者肝功能指标明显改善，但都是小样本临床试验，需要进行长期随访的大型随机对照试验，来得出hUCMSCs 对于肝硬化的疗效和安全性。

肝纤维化是一个病理生理过程，是指由各种致病因子所致肝内胶原蛋白过度沉积，结缔组织异常增生。肝脏损伤后，在肝脏修复愈合中都有肝纤维化的过程，持续的炎症刺激是肝纤维化发生和维持过程中最关键的因素[16]。在二甲基亚硝胺(dimethylnitrosamine ，DMN)诱导的肝纤维化模型中，hUCMSCs可以在体外和体内增加IL-4 并促进库普弗细胞(Kupffer cells，KCs)的动员，从而减轻肝纤维化[17]。在CCl4 诱导的大鼠肝纤维化模型中，输注的hUCMSCs 可以在体内分化成肝细胞，改善了转氨酶水平及肝的合成功能并逆转了肝纤维化，表明hUCMSCs 是治疗肝纤维化一种手段[18]。Cui H 等[19]用淫羊藿苷(Icariin，ICA)预处理hUCMSCs，移植到肝纤维化模型中，可降低了肝细胞凋亡，减轻肝损伤，并能增强抗氧化能力、预防肝纤维化发展、促进肝细胞再生。

原发性胆汁性胆管炎(Primary biliary cholangitis，PBC) 是一种慢性胆汁淤积性自身免疫性肝病，其特征是肝内中小型胆管缓慢进行性破坏，未经治疗将导致终末期胆汁性肝硬化[20]，临床治疗效果不佳，随后有学者把hUCMSCs 通过静脉注射给原发性胆汁性胆管炎小鼠中，hUCMSCs 可以显着抑制CD4+ T 细胞的增殖并抑制Th1 和Th17 细胞的分化，从而显着改善肝脏炎症[21]。

当前干细胞治疗肝脏疾病的研究取得了一定的治疗效果，反应肝功能的各项生化指标均有所改善，未见严重的不良反应，安全性也较好。也有研究人员将干细胞和肝细胞共培养，能够提高肝细胞的功能和存活时间，为今后异体肝细胞移植提供了研究方向[22]。

3 人脐带间充质干细胞在心肌梗死中的研究

急性心肌梗死(acute myocardial infarction ，AMI)可引起心肌细胞大量死亡或者凋亡。有报道表明hUCMSCs 治疗可以减少心肌细胞凋亡和纤维化，改善心室重构，增加缺血性心肌损伤区的血管密度。将Akt 基因在hUCMSCs 细胞中过表达，收集人脐带间充质干细胞外泌体(hUCMSCs-Exosomes，hUCMSCs-Exo)，发现该外泌体可通过上调血小板衍生因子D(platelet-derived growth factor D，PDGF-D) 促进的血管形成，从而对心肌梗塞有显著的治疗作用[23]。Han C 等也将hUCMSCs-Exo 注射到大鼠急性心肌梗塞模型中，UCMSCs-Exo 可以减少炎症、纤维化和细胞凋亡并通过促进血管生成来改善心肌功能，表明hUCMSCs-Exo 是心血管疾病的潜在疗法[24]。既往研究发现将hUCMSCs-Exo 移植到AMI 大鼠中，hUCMSCs-Exo 可通过抑制miR-125b-5p 促进Smad 蛋白同源物7(mothers against decapentaplegic homolog 7，Smad7)表达以促进心肌修复；用脂多糖(Lipopolysaccharides，LPS) 刺激成纤维细胞生成而获得带有炎性环境的该模型中可增加梗塞区域中肌成纤维细胞的密度，促进成纤维细胞至肌成纤维细胞分化，减弱炎症反应，保护心肌细胞[25-26]。以上研究表明干细胞外泌体可以通过分泌细胞因子介导信号，有促进血管生成、抑制纤维化、减少炎症，缩小梗死区面积的作用。在AMI 大鼠中注射hUCMSCs，也可通过提高冠状动脉VEGF 的表达促进血管新生，减少IL-6 来抑制炎症反应[27]。Peng Y 等[28]通过静脉注射hUCMSCs 到AMI 模型中，hUCMSCs 可通过刺激心内和心外巨噬细胞亚型M1/M2 的转化，降低梗死心肌炎症细胞浸润，也能降低血清IL-6 和半乳糖凝集素-3，从而保护梗塞心肌和减少炎症反应。Liu CB 等[29]结果表明在慢性心肌缺血的猪模型中，hUCMSCs 移植可改善左心室功能、灌注情况和心肌重塑。动物实验表明，hUCMSCs 移植治疗可以降低炎症，保护受损心肌。而在临床中治疗急性心肌梗死心脏射血分数也显著改善[30]。

4 人脐带间充质干细胞在肾脏疾病的应用研究

急性肾损伤(acute kidney injury，AKI) 是一种临床常见的急性疾病，主要的诱发因素有创伤、癌症化疗和造影剂，它的临床表现是：早期肾功能下降，后期为急性肾功能衰竭。主要病理改变为肾小管上皮细胞的坏死。对于AKI 患者除了早期预防和支持性治疗，目前仍没有有效的治疗方法。而干细胞治疗是可以提供治疗AKI 的新策略，有可能比药物治疗更有效。Guo Q 等通过微动脉夹夹住两侧肾蒂50 分钟以诱导AKI 的小鼠模型，联合注射UCMSCs 和VitE 后，AKI 小鼠肾脏抗炎细胞因子表达水平升高，促炎因子表达水平降低，肾脏中的炎症反应受到抑制，肾脏损伤程度减轻[31]。Rahyussalim AJ 等对一例诊断为慢性肾功能衰竭的62 岁女性患者，经hUCMSCs 植入8 个月后，肌酐水平由11mg/dl 降至2mg/dl，实验结果表明hUCMSCs 可以显著改善患者肾功能[32]。在顺铂诱导AKI 24 小时后，移植hUCMSCs 可增加肾内Treg 细胞浸润，从而减轻肾脏损伤，表现为血尿素氮(BUN)降低，肾小管损伤评分降低。而72 小时移植hUCMSCs 则没有阻止AKI进展，表明治疗AKI 要尽早尽快[33]。Li W 等[34]采用Cui H[19]同样的方法，用ICA 预处理hUCMSCs，移植大鼠后可减轻慢性肾衰竭(chronic renal failure，CRF)的氧化损伤和炎症反应，促进生长因子的表达，保护受损的肾组织，进而改善CRF 大鼠的肾功能。然而在胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1 ，IGF-1) 修饰的hUCMSCs 治疗AKI 大鼠，过表达IGF-1 的hUCMSCs具有更好的抗氧化、抗炎作用和细胞迁移能力，使AKI 大鼠生化指标恢复较明显[35]。

5 人脐带间充质干细胞在脑创伤的治疗研究

在世界上创伤性脑损伤(Traumatic Brain Injury ，TBI) 是导致脑损伤的主要原因，它具有很高的死亡率和致残率，临床上治疗效果有限， TBI 后的神经修复仍然是一个具有挑战性的临床问题。最近大量研究表明移植hUCMSCs 对TBI 后的神经修复具有相当大的治疗潜力。在TBI 1 天后注射hUCMSCs，使用定量PCR (quantitative real-time PCR，qPCR)分析72 小时后同侧顶叶皮质中84 个mRNA 的表达水平，其中有11 个基因同时受到TBI和hUCMSCs 治疗的影响，hUCMSCs 治疗显著抑制8 个促炎/ 神经退行性基因并同时增强3 个抗炎/ 抗神经退行性基因。因此，hUCMSCs 似乎调节顶叶细胞因子和趋化因子基因谱作为神经损伤恢复的基础，进而减轻TBI 大鼠的神经损伤[36]。在TBI 之后基质细胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1，SDF-1)表达增加并且可能通过SDF-1 / CXC 亚家族受体4(cysteine X cysteine receptor 4 ，CXCR4) 轴调节hUCMSC 的迁移，促进神经再生和降低细胞凋亡进而使神经功能得到恢复[37]。组蛋白去乙酰化酶1(Histone deacetylase 1，HDAC1)是一类使组蛋白去乙酰化的酶，可与带负电荷的DNA 紧密结合，从而抑制基因的转录。通过沉默hUCMSCs 的HDAC1，然后将hUCMSCs 移植到TBI 小鼠模型的海马组织中，可以显著改善模型动物的神经功能、增强神经发生、减少神经细胞凋亡[38]。hUCMSCs 在动物模型研究中可分泌抑制致炎因子、增强抗炎因子，减轻炎症及神经损伤，还可以通过促进神经细胞的再生，从而改善TBI。通过尾静脉移植hUCMSCs 联合高压氧(hyperbaric oxygen，HBO)治疗大鼠TBI 模型，高压氧治疗可促进hUCMSCs 增殖分化，并在促进神经功能恢复、重建损伤脑组织局部微环境方面具有协同作用，最终大鼠TBI 模型的神经功能显著改善[39]。在临床治疗中，给予神经功能严重缺陷和常规治疗无效的患者蛛网膜下腔注入hUCMSCs，可以修复受损组织和改善神经功能[40]。另外，hUCMSCs 移植减轻TBI 诱导的脑水肿，减少病变体积，改善神经功能，并促进记忆和认知恢复[41]。以上研究表明hUCMSCs 移植可以促进神经细胞再生，减轻炎症反应，减少TBI 诱导的脑损伤。

6 人脐带间充质干细胞在肺脏疾病治疗中的研究

支气管肺发育不良(bronchopulplasia dysplasia，BPD) 是早产儿发生的一种慢性肺部疾病，是长期呼吸及神经发育障碍最终导致婴儿死亡的主要原因。干细胞可能是治疗目前具有复杂病因( 如BPD) 的新生儿疾病的下一个突破。Kim YE 等通过对BPD 小鼠气管内移植hUCMSCs，该细胞通过下调甲酰肽受体1(Formyl peptide receptor 1，FPR1) 来减轻肺部炎症和损伤[42]。在其它实验室的研究结果也表明hUCMSCs 可抑制肺弹性蛋白酶活性，减少BPD 大鼠肺内异常弹性蛋白的表达和沉积[43]。

放射性肺损伤(radiation-induced lung injury，RILI)是因肿瘤经全身放疗或胸部放疗后一种常见的并发症，包括早期放射性肺炎和晚期放射性肺纤维化。尽管有许多潜在的治疗方法，但RILI仍然预后不良，死亡率高。hUCMSCs 具有多能性分化能力，免疫调节功能和旁分泌的特点给人们带来了RILI 治疗的希望。将hUCMSCs 移植比格犬的RILI 模型中，实验结果表明hUCMSCs 可以减少氧化应激和炎症反应以及激活TGF-β-Smad2/3 通路，从而减轻肺损伤[44]。将过表达CXCR4 的hUCMSCs 注入RILI 小鼠体内，能改善肺组织病理学特征，降低放射诱导的SDF-1，转化生长因子β1(transforming growth factor beat，TGF-β1)，α 平滑肌肌动蛋白(α-smooth-muscle actin，α-SMA)和I 型胶原蛋白的表达，提高E- 钙粘蛋白(E-cadherin) 表达，从而减轻肺部损伤[45]。在脂多糖诱导的急性肺损伤(ALI)小鼠模型中，通过hUCMSCs 的移植，可降低肺水肿，提高抗炎因子表达，抑制炎症因子的表达，减少炎症细胞浸润，促进肺组织的修复[46]。在卵清蛋白(ovalbumin，OVA) 诱导的过敏性哮喘小鼠模型中，气管内移植hUCMSCs 后，支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid ，BALF)中白细胞总数、肥大细胞及Th17 细胞比例较未治疗小鼠显著降低，肺组织中的IL-6 mRNA 和TGF-β mRNA 相对表达量也显著降低，其机制可能是通过抑制Th17 细胞以及下调炎症因子的分泌，从而显着抑制OVA 诱导的哮喘小鼠的气道炎症[47]。在当前在众多肺部疾病中，hUCMSCs 都已经进行了基础研究，但是肺组织结构复杂，功能具有不可替代性，干细胞疗法只能减轻肺部损伤，而不能完全替代受损组织达到功能改善，由此怎样修复肺组织，恢复肺功能成为干细胞研究重点。

7 总结和讨论

UCMSCs 作为一种干细胞，具有很多其他干细胞不具备的有点，其来源广泛且易于分离获得，而且在不丧失其特性的情况下，还有能长期存活的能力。然而，除了中胚层谱系外，它们还具有转分化为外胚层和内胚层谱系的能力。此外，UCMSCs 还具有一定的免疫调节功能，可分泌一定的细胞因子和免疫相关受体来调节宿主的免疫环境。UCMSCs 的这些特性使其区别于其它干细胞，并可用于未来的细胞替代治疗。

但在大规模应用UCMSCs 前仍有许多问题需要解决。首先，应该解决UCMSCs 的安全性问题，因为UCMSCs 给药后，观察到的绝大多数不良反应比较轻微，但最严重的是长期培养的UCMSCs 不幸地促进了肿瘤的生长和转移。其次，质量控制：在直接将UCMSCs 应用于体内移植之前，需要进行额外的试验，如细胞存活率、内毒素测定和致癌试验。根据疾病的严重程度，需要确定最佳剂量和特定的输入时间。第三，也是最重要的是脐带间充质干细胞的临床级生产，因为脐带间充质干细胞的临床应用需要大量的细胞，体外扩增对其至关重要，但较高传代的脐带间充质干细胞可能导致细胞转化，因此体外培养时维持其干细胞特性十分重要。综上所述，虽然UCMSCs 是最受欢迎的干细胞，但在UCMSCs用于细胞治疗的大规模临床应用之前，有必要完全了解调控和调节这些UCMSCs 的潜在机制，然而有利于在临床上的广泛应用。