骨髓干细胞的可塑性及其在栓塞性疾病中的应用△

　　作者：何敏,陈运贤　　作者单位：中山大学附属第一医院血液科，广州 510018

　　【关键词】 可塑性, 骨髓干细胞; 栓塞性疾病

　　血管栓塞是急性心肌梗死、脑梗死、血栓闭塞性脉管炎、糖尿病足等栓塞性疾病的发病原因。多年来其治疗方法无实质性进展，目前临床上针对这些疾病的主要治疗手段，如药物溶血栓、血管分流移植和介入手术等均难达到理想效果。20世纪末骨髓干细胞可塑性的发现以及相关技术的研究进展为栓塞性疾病的治疗开辟了新途径，有望成为其新治疗手段之一。骨髓干细胞(bone marrow stem cells, BMSC)是成体干细胞的一种，由造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSC)、间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSC)和内皮祖细胞(endotheial progenitor cells, EPC)组成。骨髓干细胞在实验条件控制下可以分化为成肌细胞、成骨细胞、心肌细胞和神经细胞等，这种生物学特性被称为可塑性(plasticity)。人们对成体干细胞可塑性还没有统一的定义，一般理解为：干细胞除定向分化为其所在组织器官的特化细胞外，在一定条件下还能分化为与其所在组织不同的其他组织类型细胞。

　　1 骨髓干细胞移植在心肌梗死治疗中的应用骨髓干细胞在心肌梗死中的应用是目前研究最为深入的领域之一。Orlic等[1]将经萤光标记的骨髓干细胞注射到心梗动物模型的梗死边缘区，9 d后新生的心肌组织约占心肌梗死部位存活心肌的68%。Fukuda 等[2]将标记EGFP(enhanced green fluorescent protein,强化绿色荧光蛋白)的转基因小鼠骨髓细胞移植给经致死剂量照射的心梗小鼠模型，8周后全骨髓细胞移植组心梗区EGFP+的心肌细胞超过了5 000/只;把克隆纯化的EGFP+MSC移植到经致死剂量照射的心梗小鼠模型，在心肌缺血区也发现了EGFP+actinin+的细胞。Deb 等[3]在8位接受女性心脏移植的男性患者的心肌组织中发现18%的心肌细胞、20%冠状动脉和14%的毛细血管Y染色体阳性，在排除细胞融合造成的混乱之后，Deb 等认为是患者的自体骨髓干细胞迁移到被移植的心脏中分化成为新的心肌细胞、冠状动脉和毛细血管。直接把自体MSC经冠状动脉移植到急性心梗或慢性心肌缺血病人的心脏，也能起到改善病人心功能的效果[4，5]。骨髓干细胞移植改善梗死后心脏功能的机制还不是十分清楚。外源性的MSC可以归巢到正常或梗死的心肌组织，但是MSC在正常的心肌组织中并不具有分化成心肌细胞和内皮细胞的生物学特性[6]。故有人认为并非MSC等细胞能转化成为心肌细胞和血管内皮细胞，而是MSC本身可以调节心肌细胞凋亡和心室重构，导致了患者心脏功能改善。Xiaohua 等[7]在骨髓干细胞移植心梗模型中检测到其Ⅰ型、Ⅲ型胶原蛋白、TIMP1(tissue inhibitor of matrix metalloproteinase,基质金属蛋白酶组织抑制因子1)、TGFβ1(transforming growth factor,转化生长因子β1)等细胞外基质mRNA表达增加。他们认为MSC能够选择性地降低细胞外基质基因的表达，抑制心肌重构，改善心梗模型心功能。有人发现MSC对梗死区血管新生的直接或间接作用也促进了心肌修复和心脏功能改善[8，9]。也有人认为MSC与宿主细胞建立了电机械耦合直接参与宿主心脏收缩[10]。

　　2 骨髓干细胞移植在脑梗死治疗中的应用传统观念认为脑组织缺血梗死以后中枢神经系统的神经元细胞难以通自身恢复或再生加以修复，这是脑梗死损伤致残的根本原因。随着干细胞和组织工程的兴起，近年来有不少研究者开始进行骨髓干细胞向神经细胞分化的研究。Mezey 等[11]在不能产生自体髓系和淋巴系血细胞的小鼠模型体内移植入骨髓细胞，观察到这些细胞在体内可迁移到大脑并表达神经特异性抗原，他们认为骨髓细胞可能是神经元细胞再生的来源之一。此后许多研究均证实在体外可诱导MSC向神经元样细胞分化。用粒细胞集落刺激因子(granulocyteolonystimulating factor, GCSF)作为动员剂，动员骨髓干细胞向缺血性脑梗死模型的梗死部位迁移，发现GCSF治疗组的脑梗死体积明显小于对照组，病理损伤也较轻，术后48 h在脑梗死灶发现CD 34+单个核细胞浸润，以及带有CD 34+椎形细胞生长。由于脑组织中无CD 34+细胞，因此推断GCSF动员了骨髓中的CD 34+细胞进入梗死部位并向神经元样细胞分化[12]。Yao 等[13]把人MSC在体外扩增并用参芪扶正液诱导30 min后注射到大脑中动脉栓塞大鼠脑部,所有模型鼠都存活6周以上，且肢体的运动功能提高，触觉、感知觉减退情况改善，免疫组化显示移植后MSC表达NSE (neurone specific enolase, 神经元特异性烯醇酶)、NF(neurofilament, 神经微丝)、GFAP(glial fibrillary acidic protein,神经胶质酸性蛋白)等人类特异性的抗原。Bang 等[14]把30例大脑中动脉栓塞合并严重神经功能缺陷的病人随机分为两组：A组静脉注射自体MSC(1×108个/人)，B组作为对照接受常规治疗，结果MSC移植组病人在移植后6～12个月中Barthel指数和Rankin评分持续稳定地好转。这些研究证明骨髓干细胞不仅能够迁移到梗死脑组织而且能改善脑功能。目前对干细胞促进梗死后脑组织功能恢复的机制只有一些假说。一种假说认为可能是干细胞替代损伤细胞整合入组织重建神经环路，促进了功能恢复。另一种假说认为骨髓干细胞与宿主脑组织的相互作用促进干细胞分泌一些具有促使下丘脑神经元细胞存活、生长和分化作用的因子如IL6、MCSF等, 这些因子促进神经元前体细胞生长分化迁移，使脑组织可塑性上调，促进功能恢复。Kurozumi等[15]用腺病毒载体将BDNF(脑源性神经营养因子)基因转染人MSC，并用于治疗大脑中动脉栓塞大鼠，结果MSCBDNF治疗组大鼠无论是脑梗死的体积还是脑功能的恢复都优于单用MSC治疗的对照组,说明神经营养因子对MSC移植治疗效果有积极的影响。

　　3 骨髓干细胞髓移植在下肢缺血性疾病治疗中的应用下肢缺血性疾病包括动脉硬化性闭塞症、糖尿病足、血栓闭塞性脉管炎等，它们有一个共同的病理过程：血管管腔进行性狭窄，远端肢体供血不足。Esato 等[16]用自体骨髓细胞移植治疗8例患有慢性动脉疾病的患者，其中2例完全治愈，另外6例不同程度缓解。此后又有人先后发表了运用自体骨髓单个核细胞治疗动脉硬化性闭塞症和糖尿病足的病例报告[17，18]。但是无论是骨髓细胞还是骨髓单个核细胞都是混合细胞群，从以上病例报告中无法知道在这些混合细胞群中究竟是何类细胞亚群在对疾病起治疗作用。TateishiYuyama等[19]给25位下肢缺血性疾病的患者局部注射自体骨髓单个核细胞，给另外22位患者局部注射外周血单个核细胞，前者治疗效果优于后者，故此他们认为可能是骨髓单个核细胞群中的内皮祖细胞及其分泌的多种血管生成因子在治疗过程中发挥作用。Saigawa等[20]发现CD 34+细胞移植数量与下肢缺血性疾病治疗效果呈正相关,由于CD 34+细胞主要在造血干细胞和内皮祖细胞上表达,故他们也认为是造血干细胞、内皮祖细胞及其分泌的细胞因子在治疗下肢缺血性疾病时起作用。

　　4 存在的问题及展望利用骨髓干细胞的可塑性治疗栓塞性疾患的研究目前还处于起步阶段，鉴于各个国家和实验室的条件不同以及实验研究人员知识结构的差异，即使是进行干细胞可塑性研究的学者对这一问题的认识也不尽相同。况且在干细胞可塑性研究的道路上本身也存在一系列问题有待解决，比如：干细胞的识别、分离、体外培养、是否存在癌变的可能、可塑性机制等。另外在临床实验中还应该注意：干细胞归巢的高效性和靶向性，分化的细胞是否具有组织细胞的功能，非靶点组织的异常血管增生，促进肿瘤及糖尿病视网膜病变的恶化等副作用等等。但是骨髓干细胞移植也有细胞来源不受限制、新生组织细胞和毛细血管可以实现功能上的融合等特点，为临床治疗栓塞性疾病提供了一条除介入、血管旁路移植以外的另一条新的非创伤性治疗途径。总之，骨髓干细胞用于栓塞性疾病的治疗无论在理论上还是在实践中均有其他传统治疗方法不可比拟的优势,值得进一步的研究和探讨。

　　【参考文献】

　　[1] ORLIC D, KAJSTURE J, CHIMENTI S, et al. Bone marrow cells regenerate infracted myocardium[J]. Nature, 2001, 410(6829):701715.

　　[2] FUKUDA K, FUJITA J. Mesenchymal, but not hematopietic, stem cells can be mobiliazed and differentiate into cardiomyocytes after myocardial infarction in mice [J]. Kidey Int, 2005,68(5):19401943.

　　[3] DEB A, WANG S, SKELDING KA, et al. Bone marrowderived cardiomyocytes are present in adult human heart: A study of gendermismatched bone marrow transplantation patients[J]. Circulation, 2003, 107(9):12471249.

　　[4] CHEN SL, FANG WW, YE F, et al. Effect on left ventricular function of intracoronary transplantation of autologous bone marrow mesenchymal stem cell in patients with acute myocardial infarction[J]. American Journal of Cardiology, 2004,94(1):922.

　　[5] CHEN SL, FANG WW, QIAN J, et al. Improvement of cardiac function after transplantation of autologous bone marrow mesenchymal stem cells in patients with acute myocardial infarction[J]. Chinese Medical Journal, 2004,117(10):14431448.

　　[6] NIU LL, ZHENG M, CAO F, et al. Migration and differentiation of exogenous rat mesenchymal stem cells engrafted into normal and injured hearts of rats[J]. Chinese Medical Journal, 2004,84(1):3842.

　　[7] XIAOHUA XU, ZENGLU XU, YUANYUAN XU, et al. Selective downregulation of extracellular matrix gene expression by bone marrow derived stem cell transplanatation into infarcted myocardium[J]. Circulation Journal, 2005,69(10):12751283.

　　[8] TANG YK, ZHAO Q, OIN X, et al. Paracrine action enhances the effects of autologous mesenchymal stem cell transplantation on vascular regeneration in rat model of myocardial infarction[J]. Annals of Thoracic Surgery, 2005,80(1):229236.

　　[9] SILVA GV, LITOVSKY S, ASSAD JA, et al. Annals of Thor Mesenchymal stem cells differentiate into an endothelial phenotype, enhance vascular density, and improve heart function in a canine chronic ischemia model[J]. Circulation, 2005,111(2):150156.

　　[10] SAITO T, KUANG JQ, LIN CC, et al. Transcoronary implantation of bone marrow stromal cells ameliorates cardiac function after myocardial infarction[J]. Thorac Cardiovasc Surg, 2003, 126(1):114123.

　　[11] MEZEY E, CHANDROss KJ, HARTA G, et al. Turning blood into brain: cells bearing neuronal antigens generated in vivo from bone marrow[J]. Science, 2000,290(5497):16721674.

　　[12] 陈运贤, 陆英, 钟雪云,等. 粒细胞集落刺激因子动员骨髓干细胞治疗大鼠缺血性脑梗死[J]. 中国病理生理杂志, 2004,20(4):560565.

　　[13] YAO XL, ZHANG C, LU XL, et al. Experimental research on effect of human mesenchymal stem cells induced by shenqi fuzheng injection in cerebral infarction[J]. Zhongguo Zhong Xi Yi Jie He Za Zhi, 2005, 25(7):623632.

　　[14] BANG OY, LEE JS, LEE PH, et al. Autologous mesenchymal stem cell transplantation in stroke patients[J]. Ann Neurol, 2005, 57(6):874882.

　　[15] KUROZUMI K, NAKAMURA K, TAMIYA T, et al. Mesenchymal stem cells that produce neurotrophic factors reduce ischemic damage in the rat middle cerebral artery occlusion model[J]. Mol Ther, 2005, 11(1):96104.

　　[16] ESATO K, HAMANO K, LI TS, et al. Neovascularization induced by autologous bone marrow cell implantation in peripheral arterial disease[J]. Cell Transplant, 2002, 11(8):747752.

　　[17] HASEBE H, OSADA M, KODAMA Y, et al. Therapeutic angiogenesis by autologoustransplantation of bonemarrow cells in a patient with progressive limb ischemia due to arteriosclerosis obliterans: a case report[J]. Cardiol, 2004, 43(4):179183.

　　[18] BARTSCH T, BREHM M, FALKE T, et al. Rapid healing of a therapyrefractory diabetic foot after transplantation of autologous bone marrow stem cells[J]. Med Klin(Munich), 2005, 100 (10):676680.

　　[19] TATEISHIYUYAMA E, MATSUBARA H, Murohama T, et al. Therapeutic angiogenesis for patients with limb ischaemia by autologous transplantation of bonemarrow cells: a pilot study and a randomised controlled trial[J]. Lancet, 2002,360(9331):427435.

　　[20] SAIGAWA T, KATO K, OZAWA T, et al. Clinical application of bone marrow implantation in patients with arteriosclerosis obliterans, and the association between efficacy and the number of implanted bone marrow cells[J]. Circ J, 2004, 68(12):11891193.