骨髓间充质干细胞归巢在肾脏疾病治疗中应用的研究进展

张维护，时琛，张娅，夏春娟，王家平

昆明医科大学第二附属医院放射科，昆明650101

骨髓间充质干细胞(BMSCs)是存在于骨髓中并便于获得的成体干细胞，具有多向分化潜能、无免疫排斥、可自体移植等良好的细胞特性[1-2]。近年来研究表明，BMSCs移植治疗急性肾损伤(AKI)、慢性肾脏病(CKD)、糖尿病肾病(DN)及其他肾脏疾病均显示出一定效果[3-5]，但是效果有限。BMSCs归巢数量、在靶器官或靶组织中的分布及归巢后BMSCs的存活率等[6]，都是BMSCs治疗肾脏疾病效果的影响因素。因此，如何有效提高BMSCs归巢率是干细胞治疗方面亟待解决的问题，甚至有学者认为BMSCs归巢是其发挥作用的前提之一[7]。BMSCs归巢是其通过血液在靶器官或靶组织中定植存活的能力。BMSCs表面表达趋化因子受体能与相应配体结合，通过细胞信号传导从而介导BMSCs迁移至受损部位[8]，靶器官或靶组织通过释放趋化因子、黏附因子、生长因子和酶与BMSCs表面表达的相应受体相结合，指引BMSCs迁移到具体位置[9]。研究发现，经静脉、动脉、局部注射移植BMSCs时，只有很少的BMSCs能够到达损伤组织，而且存活率较低[10]。此外，国内外研究对BMSCs归巢到肾脏的机制进行了深入研究，但是对于如何增强BMSCs的归巢效应未详细阐明。现阶段大部分基础实验在如何增加BMSCs向AKI、CKD和DN等动物模型的损伤肾脏归巢进行了报道。现就BMSCs归巢在肾脏疾病治疗中的应用研究进展进行综述。

1 BMSCs归巢的机制

MSCs经过循环系统迁移到靶器官或靶组织的过程主要分为五个步骤[11]。第一步是束缚和滚动。MSCs表面表达CD44分子，CD44黏附在由血管内皮细胞表达的选择素上而引起MSCs沿着血管壁滚动[12]。第二步是活化。由G蛋白偶联趋化因子受体促进活化，这是MSCs对局部炎症信号刺激做出的反应。这其中内皮细胞表达的血管内皮细胞基质细胞衍生因子1(SDF-1)是MSCs趋化因子受体CXCR4的配体，这是活化的关键一步，其能增加MSCs向受损组织迁移[13]。第三步是停滞。由MSCs表达整合素a4b1(VLA-4)，其在MSCs与趋化因子反应中被激活[14]；激活之后，VLA-4整联蛋白与内皮细胞上的血管细胞黏附分子1结合而停滞[15]，为下一步MSCs通过内皮细胞层和基底膜做准备。第四步是迁移或渗出。MSCs需要穿越内皮细胞层和基底膜。MSCs通过分泌基质金属蛋白酶类(MMPs)来分解内皮基底膜[16]。MMPs的成熟和活化受到各种蛋白质的调控，其中最重要的是基质金属蛋白酶抑制剂(TIMPs)[17]。TIMPs受细胞炎症因子诱导，所以细胞炎症因子是引导MSCs迁移到靶组织中的信号来源。第五步是迁移。MSCs穿过基底膜后需要穿越间质迁移到受损部位，此过程由受损部位的组织分泌的各种趋化因子、生长因子等引导，其中包括生长因子血小板衍生生长因子AB、胰岛素样生长因子、SDF-1等[18]。

2 BMSCs归巢在AKI治疗中的应用

AKI是指由各种病因引起的短时间内肾功能快速减退，造成体内代谢产物聚集引发一系列相应的临床症状。可分为肾前性、肾性和肾后性。病理表现为肾血流量不断减少使肾血管收缩，进一步导致内皮细胞肿胀，氧化应激、细胞凋亡和刺激炎症因子产生。在缺血、缺氧、毒素等影响下，肾小管上皮细胞发生肿胀、坏死、脱落。免疫炎症反应进一步导致组织损伤[19]。目前对于AKI主要以支持治疗为主，尚无治愈的方法[20]。BMSCs治疗缺血—再灌注模型和顺铂毒性模型等AKI动物模型能有效减轻肾损伤并增强肾功能恢复的能力[3]。BMSCs向受损肾脏组织归巢情况，是影响AKI治疗效果的关键。

大量研究显示，提高局部SDF-1浓度或增强BMSCs表面CXCR4表达均能促使BMSCs向受损组织迁移[13]。有学者发现，麝香酮能促进BMSCs的迁移及增殖能力，CXCR4和CXCR7在BMSCs中表达上调是其可能机制[20]。有研究表明，CXCR4-BMSCs具有更强的归巢及旁分泌能力；EPO联合BMSCs移植修复AKI可提高BMSCs对肾脏的修复效果，此方法增强了由SDF-1/CXCR4通路介导的BMSCs定向向受损肾脏归巢的能力，肾功能显著改善，急性肾小管坏死评分降低[6，21]。有学者发现，通过联合超声靶向微泡破坏技术和聚乙烯亚胺的作用能增强BMSCs的CXCR4表达[22]。

现阶段已知BMSCs来源的细胞外囊泡携带治疗因子，ULLAH等[23]运用pFUS联合BMSCs治疗AKI，结果显示BMSCs来源的细胞外囊泡具有改善肾功能、介导细胞增殖及减轻炎症反应、减少凋亡的作用，但是不能增加细胞外囊泡向肾脏归巢。对于pFUS不能增强BMSCs来源的细胞外囊泡可能的原因是CXCR4受体位于细胞表面，细胞外囊泡没有细胞结构，并没有完整的信号通路，导致不能特异性向受损组织定向移动。因此，如何增加细胞外囊泡归巢的能力有待进一步实验研究。

3 BMSCs归巢在CKD治疗中的应用

CKD为各种原因引起的肾脏结构或功能异常≥3个月，表现为肾单位进行性和不可逆丧失、微血管损伤、氧化应激和炎症反应，导致肾小管硬化及间质纤维化等[24]。现阶段多采用透析治疗，目的是减慢向终末期肾脏疾病(ESKD)的进展并提高患者生存质量[25]。BMSCs移植已经被证实是一种具有前景的治疗手段[4]，但治疗效果受到归巢到受损肾脏组织的BMSCs数量及存活率的影响，提高BMSCs的归巢率及存活率成为影响治疗效果的关键。

西他列汀是一种DPP-4的抑制剂，可以抑制SDF-1的降解，从而促进BMSCs向受损肾脏组织的迁移[26]。SUNG等[27]研究表明，低强度冲击波(LISW)上调了肾脏中SDF-1表达，增加了循环内皮祖细胞(EPCs)水平，促进BMSCs的归巢，减轻了受损肾脏的纤维化和炎症反应。与单独EPCs相比，LISW可调节足细胞标志物水平，表明其具有更好的足细胞保护作用。此外，细胞疗法联合使用LISW可以稳定肾功能，还可起到促进血管生成、抗炎和抗凋亡的作用[28]。受损部位组织分泌各种趋化因子、生长因子能介导BMSCs向目标定向移动[29]。

BMSCs的归巢受多种因素影响，上调SDF-1表达、受损组织局部微环境的改变均是较重要的影响因素之一，但是各个因素之间的相互作用、作用程度有待进一步研究。

4 BMSCs归巢在DN治疗中的应用

DN是糖尿病最严重的并发症之一，也是导致ESKD的重要原因之一[30]，其发病机制主要为肾脏血流动力学异常、血管活性物质代谢异常等[31]。

寻找一种新的方法治疗DN迫在眉睫。BMSCs的应用为DN的治疗提供了一种新的选择。有研究显示，超声波靶向微泡破坏技术(UTMD)可增加早期DN大鼠肾间质毛细血管通透性，但并不发生出血或坏死等病理表现，说明UTMD能安全、有效上调BMSCs趋化因子CXCR4的表达。这一技术表明，UTMD是一种增强BMSCs归巢进入肾脏的有效治疗方法。WANG等[32]将红色荧光蛋白标记的BMSCs联合微泡给予由链脲佐菌素诱导的DN大鼠，在治疗后的第1天和第3天，观察到UTMD照射的肾脏与对侧肾脏相比，BMSCs归巢和滞留增强；BMSCs归巢的细胞因子、整合素和营养因子的局部和瞬时表达远高于未经UTMD处理的肾脏，透射电镜观察到的局部毛细血管内皮破裂可能是局部微环境变化的原因。学者们还运用超声靶向击破载SDF-1微泡成功将SDF-1释放到靶区肾组织，提高了肾组织中SDF-1的水平[33]。上述两种方法均增加了血管通透性和各种趋化因子、生长因子水平，改变局部微环境，促进BMSCs归巢到受损肾脏的能力，并且未发生肾脏毒性和细胞损伤[5]，其中超声靶向击破载SDF-1微泡技术还能提高肾脏局部SDF-1浓度。两种方法均可抑制肾小球、肾间质的纤维化进程，有效延缓了DN的进展，对肾脏的修复作用好于单纯的BMSCs移植[34-35]。

高能聚焦超声可用于治疗各种疾病。以超声手段来提高BMSCs归巢率是一种较为安全的方法，这为下一步的临床应用提供了一种思路。但是，对于超声的强度、作用时间等需要进一步研究来确保治疗的安全性。

5 BMSCs归巢在其他肾脏疾病治疗中的应用

BMSCs还可用于肾细胞癌、缺血再灌注损伤、肾移植等患者的治疗。肾癌细胞分泌IL-8，激活BMSCs的CXCR2受体介导的AKT信号通路、ERK信号通路，从而诱导BMSCs归巢。阻断IL-8或CXCR2受体可降低BMSCs的迁移能力，这可能是BMSCs归巢的重要机制之一[36-37]。研究表明，EPO预处理的BMSCs可以增强归巢能力，调节相关免疫因子表达，如提高CXCR4表达，调节IL-4、IFN-γ表达及IFN-γ/IL-4比例，进而调节Th1/Th2平衡，改善肾移植的微环境来预防急性排斥反应的发生[38]。另一项研究显示，EPO预处理的BMSCs在体内及体外实验中均对CsA诱导的肾毒性肾炎表现出了积极作用，与未经EPO处理的BMSCs组相比，EPO处理组CXCR4表达更加明显[39]。

现阶段，对于BMSCs归巢研究较多的是SDF-1/CXCR4轴和损伤部位微环境相关因子变化。提高局部SDF-1浓度或增强BMSCs表面CXCR4表达，局部微环境中某些成分的改变，均能提高BMSCs定向移动至受损组织的能力。不同疾病之间存在相同的SDF-1/CXCR4轴，但局部微环境之间具有一定差异，这种差异如何能引起BMSCs归巢到受损组织，具体机制还有待进一步实验论证。

总之，BMSCs治疗与传统的肾脏替代疗法对比具有独特优势。现阶段通过探索不同新机制、联合多种药物及采用超声等物理方式均能增加BMSCs向受损肾脏组织的归巢数量，达到提高对肾脏疾病治疗效果的目的，并可减少BMSCs在其他组织中聚集引起的并发症。但如何提高归巢之后BMSCs的存活率、提高治疗效果及持续时间等问题有待进一步研究。