基因修飾的間充質干細胞在組織損傷修復中的研究
間充質干細胞是一種具有自我復制能力和多向分化潛能的成體干細胞，下面是小編搜集整理的一篇探究基因修飾的間充質干細胞應用的論文范文，歡迎閱讀查看。
前言
間充質干細胞(Mesenchymalstemcells,MSCs)是成體干細胞的一種，具有多向分化潛能。來源廣泛，可從多種組織中分離得到，易于體外擴增培養(yǎng)，應用不涉及倫理問題，副反應少，安全性較高，在組織修復和再生方面的臨床應用前景廣闊。目前間充質干細胞已用于對多種疾病的治療研究中，例如心肌梗死[1]、糖尿病[2]、阿爾茨海默病[3]、自身免疫性疾病[4]等。由于MSCs易于被如逆轉錄病毒，慢病毒，腺病毒等載體轉染，在體外將目的基因克隆至這些載體上，對MSCs進行感染，可以使目的基因在MSCs中高表達。
越來越多的研究利用MSCs作為外源基因的載體，高效過表達某種細胞因子，用以提高MSCs的治療效果。經過基因改造的MSCs,其歸巢能力、體內生存能力和分化能力得到增強，可以利用MSCs對炎癥部位和腫瘤組織的歸巢特性治療多種疾病。綜述了基因修飾的MSCs在組織損傷修復，放射性損傷和腫瘤治療中的研究進展，并對其在臨床上的應用前景進行了展望。
1、間充質干細胞的生物學特性
MSCs最初是在骨髓中發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在則可以從多種組織中分離得到，包括臍帶[5],臍帶血[6],外周血[7],胎兒的肝和肺[8],脂肪組織[9],骨骼肌[10],羊水[11],滑膜[12]等。其中人臍帶中的華通氏膠(Wharton'sjelly)是MSCs的一個豐富來源[5].
MSCs被定義為多能性干細胞，即可以分化形成多種組織細胞，如成骨細胞，脂肪細胞，軟骨細胞，腱細胞和肌細胞等[13,14].在合適的培養(yǎng)條件下還可分化為肝細胞樣[15]和神經細胞樣細胞等[16].無論MSCs的來源如何，都可以自我復制，在實驗室的培養(yǎng)中可傳至很多代而不失去自我更新能力[17].因此可以將它們進行大量的體外擴增，用于組織和器官修復。
為了更好的定義人MSCs,國際細胞療法間充質與組織干細胞委員會制定了人MSCs的最低標準[18]:①MSCs在標準培養(yǎng)條件下呈貼壁生長;②表達CD105,CD73和CD90,不表達CD45,CD34,CD14或CD11b,CD79α或CD19和HLA-DR;③MSCs在體外至少能向成骨細胞、脂肪細胞和成軟骨細胞分化。除了多向分化潛能外，MSCs還能調節(jié)免疫和炎癥反應。MSCs同時具有通過旁分泌信號釋放生物活性分子的修復功能，可以影響細胞遷移，增殖和周圍細胞的生存等[19].MSCs的這些功能使得其具有了強大的臨床應用潛力。
2、基因修飾的間充質干細胞的應用
MSCs的免疫原性低，并且能夠在重復注射后都不被受者的免疫系統(tǒng)識別[20],這是MSCs用于臨床治療的一個最顯著的優(yōu)勢。MSCs還能夠分泌很多生物活性分子[21]以及一些免疫調節(jié)因子，能夠對機體的損傷、炎癥等起到修復作用。目前，MSCs被用于治療多種疾病的臨床試驗，包括多發(fā)性硬化癥，心肌梗死，器官移植，肝硬化及肝衰竭，心衰，GVHD,左心室功能失調，白血病及克羅恩病等[22].
MSCs還是非常理想的基因治療細胞載體，易被所有臨床上普遍應用的病毒載體系統(tǒng)所轉染，經過基因修飾的MSCs輸注后可以遍布全身，不僅可以發(fā)揮干細胞歸巢和修復的作用，同時又可大量表達如細胞因子等的目的基因，而且二者具有協(xié)同作用，這樣可以擴大MSCs治療的疾病范圍，使得病灶部位局部的修復幾率大大提高。這些優(yōu)點使得MSCs成為最具有基因治療研究和臨床治療應用前景的干細胞之一。
2.1、基因修飾的間充質干細胞在組織修復中的應用目前，基因修飾的MSCs的研究主要集中于提高MSCs自身特性介導的對各種組織的修復能力。
一旦研究人員發(fā)現(xiàn)某種細胞因子對受損組織有益，他們就會通過基因工程的方法使MSCs過表達這些因子用于治療。很多實驗結果證明經過基因修飾的MSCs明顯較未修飾的MSCs在組織修復中更加有效。Zhang等[23]用腺病毒將人肝細胞生長因子HGF導入人MSCs中，然后在慢性心肌缺血的模型豬體內進行心內移植，發(fā)現(xiàn)HGF-MSC可以分化為血管內皮細胞，并整合到發(fā)育中的.脈管系統(tǒng)中，降低室性心律失常的敏感性。通過重組腺病毒使MSCs過表達神經營養(yǎng)因子BDNF或GDNF都可以修復大鼠短暫性大腦中動脈閉塞造成的缺血性損傷，修復大鼠受損的中樞神經系統(tǒng)[24],提示基因修飾的MSCs可用于對中風的治療;基因修飾的MSCs在修復腎臟損傷方面也有文獻報道，Eliopoulos等[25]發(fā)現(xiàn)用紅細胞生成素EPO對小鼠骨髓來源的MSCs進行基因修飾，可以改善腎功能衰竭繼發(fā)性貧血模型小鼠的貧血癥，并緩解慢性腎衰的癥狀;另外，經過基因修飾的MSCs也被用于修復骨損傷[26],經過骨形態(tài)形成蛋白(bonemorphogeneticprotein2)BMP2重組腺相關病毒感染MSCs,并用含有α-4整聯(lián)蛋白基因質粒瞬時轉染，可以提高MSCs的歸巢性，增加小鼠的骨密度和骨礦物質含量;mHCN2是一種心臟起搏蛋白，將瞬時轉染了含有mHCN2基因質粒的hMSCs注入模型狗的左心室，可使左側心臟進行自發(fā)的有節(jié)律的跳動[27];用重組腺病毒在MSCs中過表達CXCR4蛋白或與SDF-1α共同過表達都可以顯著提高心梗模型大鼠的心臟功能[28].
2.2、基因修飾的間充質干細胞在治療放射性損傷中的應用核輻射事故、核恐怖襲擊和戰(zhàn)爭爆發(fā)情況下可能產生大量的急性輻射損傷(acuteradiationsyndrome,ARS)人群。另外，在惡性腫瘤的治療中，放射性治療手段不可避免地會對患者造成放射性損傷。大量的電離輻射引發(fā)的ARS是對神經與血管系統(tǒng)、造血系統(tǒng)及胃腸等造成損傷的全身性疾病。
將基因修飾的MSCs用于治療輻射性損傷近幾年成為輻射損傷治療領域的新方向。
2009年，Abdel-Mageed等[29]首次報道了用表達細胞外超氧化物歧化酶(extracellularsuperoxidedismutase)的重組腺病毒Ad5CMVECSOD感染小鼠骨髓來源的mMSCs,發(fā)現(xiàn)注射了ECSOD-mMSCs的ARS小鼠中52%存活了35d以上，但是對照組只有9%,PBS組只有10%的小鼠存活了35d以上。
2013年，Xue等[30]構建了表達TGF-βII型受體的重組腺病毒Ad-sTβR,將其轉染MSCs用于治療小鼠胸部輻射導致的肺損傷，將治療組生存率提高了40%,組織病理切片顯示Ad-sTβR-MSCs治療組的肺泡厚度下降，Ad-sTβR轉染的MSCs能夠明顯地遷移到肺部輻射損傷部位。Zhang等[31]用編碼HGF(Hepatocytegrowthfactor)和HGF-shRNA的慢病毒感染ADSCs.SD大鼠經60Gy輻照誘導肝損傷后給予治療。2d后，觀察到HGF-ADSCs治療組與對照組相比肝細胞凋亡情況明顯減少，肝細胞再生能力明顯增強。且通過下調α-SMA和纖維連接蛋白減少了放射性誘導的肝纖維化。
2015年4月，Gan等[32]用重組腺病毒作為載體表達ECSOD3,感染人臍帶來源的MSCs.經重組腺病毒Ad-ECSOD3感染hUCMSC后，細胞培養(yǎng)液上清中ECSOD3的活力與對照組相比提高了3倍。治療組小鼠的外周血白細胞、血小板、紅細胞和血紅蛋白水平與對照組相比都有明顯上升。在小鼠經亞致死劑量輻射后的1h和48h尾靜脈注射重組腺病毒Ad-ECSOD3感染的人UCMSC.AVSOD3-UCMSC和AVSOD3-BMMSC組小鼠30d的生存率為提高了約30%.說明AVSOD3-UCMSC和AVSOD3-BMMSC都可以有效治療急性輻射損傷。
2.3、基因修飾的間充質干細胞在腫瘤基因治療中的應用MSCs具有腫瘤歸巢能力，能遷移到腫瘤組織部位與腫瘤結締組織融合。在腫瘤微環(huán)境中會產生慢性炎癥，MSCs會靈敏的探測到腫瘤組織周圍的這種損傷，內源性的骨髓或脂肪來源的MSCs以及靜脈輸注的MSCs都會遷移到腫瘤部位。因此可以將MSCs作為腫瘤基因治療的載體高效地向腫瘤部位傳遞腫瘤治療的基因或藥物，靶向性地治療腫瘤[33].另外，由于MSCs的免疫原性低，異體的MSCs在體內可以逃避免疫系統(tǒng)的清除，能夠進行多次給藥，使得同種異體MSCs用于腫瘤治療成為可能。
將MSCs作為抗腫瘤基因的載體對腫瘤能夠起到抑制作用已經有多篇文獻報道[34-36].由于細胞因子在體內的半衰期很短，如果直接單獨應用細胞因子進行腫瘤治療的話，在體內會很快被降解，而且可能也會對正常細胞產生毒副作用。如果采用細胞因子基因修飾的MSCs進行治療的話就可以避免上述情況。MSCs會遷移到腫瘤局部釋放細胞因子，因此會在腫瘤部位提高因子的濃度，并且顯著降低對正常細胞的毒副作用。如果MSCs是用病毒載體進行修飾的，那么MSCs會在腫瘤部位持續(xù)釋放細胞因子，僅一次治療就可以起到長效作用。現(xiàn)在用于修飾MSCs治療腫瘤的基因主要有白介素類，干擾素類，前藥類，溶瘤病毒類促凋亡蛋白類，生長因子拮抗劑類，抗血管增生蛋白等。
同時，也有研究表明，低劑量的未經基因修飾的MSCs在體內可以促進免疫反應，而高劑量或過量的未經修飾的MSC遷移到腫瘤部位也可能會促進腫瘤生長[37].目前，對于未經修飾的MSCs在腫瘤微環(huán)境中對腫瘤究竟是起到抑制作用還是促進作用還存在一些爭議，這也是現(xiàn)在MSCs的一個研究熱點。
對這一現(xiàn)象有研究指出，MSCs的來源不同和異質性也許是它對腫瘤具有不同作用的主要原因。MSCs介入腫瘤的時間和細胞劑量可能也是其究竟起到哪方面作用的直接因素。但是到目前為止，用于臨床治療的MSCs還未見有導致形成腫瘤的報道。將MSCs進行抗腫瘤因子的基因修飾或許可以克服其在體內可能具有的致瘤性這一缺點[38].
3、結語與展望
目前MSCs及基因修飾的MSCs移植對組織損傷和對輻射導致的機體損傷，及對腫瘤的治療尚未經過臨床試驗的驗證，大多只限于動物實驗，迄今為止，還未見到臨床治療方面的相關報道。如何更好地利用基因修飾的MSCs治療相關疾病還有待深入研究。MSCs在治療過程中的組織損傷的修復機理、MSCs的最佳治療時機、最佳細胞數(shù)量等問題尚無定論。各種來源的MSCs在生物學特性方面和不同來源的MSCs經基因修飾后的療效差別等還有待進一步明確�；蛐揎棇τ贛SC的治療作用有何影響，其療效和機制尚待闡明，上述問題均是進一步研究MSCs作為生物治療細胞和載體的重要內容。
2015年2月26日，國家科技部發(fā)布了《國家重點研發(fā)計劃干細胞與轉化醫(yī)學重點專項實施方案》(征求意見稿),啟動了國家重點研發(fā)計劃"干細胞與轉化醫(yī)學"重點專項試點工作。這一方案的出臺預示著間充質干細胞治療將迎來新的春天。隨著分子生物學等技術在MSCs基礎研究中的不斷深入和相關機理問題的解決，基因修飾的MSCs的治療研究將有望取得新的突破。
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