Treating glioma with umbilical cord mesenchymal stem cells: mechanism of action, safety and future application

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0530

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Umbilical cord mesenchymal stem cells (UC-MSCs) are a group of cells that have self-renewal, highly proliferative and multidrug differentiation potential. The properties of UC-MSCs and their tumor tropism make them an ideal tool for glioma cell therapy. These cells can act by paracrine or as a delivery system for genes and drugs. It has been demonstrated that UC-MSCs can inhibit the growth of glioma and improve the survival after transplantation into the brain.
OBJECTIVE: To summarize the molecular mechanisms and safety of UC-MSCs in the treatment of glioma and to provide a useful reference for further research.
METHODS: We searched the PubMed and CNKI databases from 2000 to 2017 with the English terms of “glioma; umbilical cord mesenchymal stem cells” and the Chinese terms of “glioma; umbilical cord mesenchymal stem cells; safety; molecular mechanism”. Based on the inclusion and exclusion criteria, 55 articles were finally reserved for review.
RESULTS AND CONCLUSION: UC-MSCs have obvious effect on treating glioma. These cells can treat glioma through homing mechanism and paracrine mechanism as gene carrier and co-culture. Moreover, UC-MSCs have certain safety in the treatment of glioma.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

Key words: Glioma, Mesenchymal Stem Cells, Tissue Engineering

CLC Number:

R394.2

Zhou Xin-kui, Ma Shan-shan, Liu Teng-fei, Zhou Jian-kang, Xing Qu, Huang Tuan-jie, Wang Ya-ping, Yang Bo, Guan Fang-xia. Treating glioma with umbilical cord mesenchymal stem cells: mechanism of action, safety and future application[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(17): 2740-2746.

Figures/Tables 1

2.1 间充质干细胞间充质干细胞来源广泛，且具有许多医学和生物学利用价值，被誉为是第3次医学革命再生医学中的万能细胞。间充质干细胞最初是从骨髓中分离出来，由于最初发现的数目稀少，而且对其了解非常有限，在当时间充质干细胞被认为是骨髓基质细胞[4]。间充质干细胞是治疗大量退行性疾病和癌症的希望，它们可以从许多不同的组织获得，如脂肪、脐带、羊膜、胎盘等，且易于扩大培养，具有避免免疫排斥和归巢能力强等一些间充质干细胞的特性，使其成为治疗的重要资源[5]。间充质干细胞的免疫原性和潜在成瘤风险相对于较早发现的干细胞比如胚胎干细胞等都要低得多，在一定程度上既提高了其在细胞治疗中的安全性又提高了医生和患者的接受度[6-7]。 2.2 脐带间充质干细胞 In’t Anker等[8]从脐带中分离培养出了脐带间充质干细胞，发现其与骨髓来源的间充质干细胞相似，且相对于骨髓来源的间充质干细胞，脐带间充质干细胞具有更强的自我增殖能力和更强的分化能力。脐带间充质干细胞具有收集容易的特性，在脐带内衬，血管周围组织和沃顿胶质等组织中都可以收集。与胚胎干细胞相比，脐带间充质干细胞的来源是无争议的，它们显著的增殖和分化潜能和促进组织修复和调节免疫应答的特性，使得脐带间充质干细胞的分离、培养、应用均日趋成熟[9]。 2.3 间充质干细胞对脑胶质瘤的治疗作用无论是骨髓间充质干细胞、羊膜间充质干细胞还是脐带间充质干细胞，对于脑胶质瘤的治疗都有着积极的作用[10]。间充质干细胞可以通过很多途径对脑胶质瘤进行治疗并且表现出了良好的作用。目前公认的间充质干细胞对于脑胶质瘤的治疗作用主要分为以下3个方面：①间充质干细胞通过归巢特征来进行调节和修复肿瘤区域组织，通过分泌生长因子、细胞因子等来作用于脑胶质瘤；②在间充质干细胞的帮助下，肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体能够诱导瘤灶内肿瘤细胞凋亡；③间充质干细胞还可以作为治疗基因的载体将外源性抑癌因子作用于脑胶质瘤[10]。间充质干细胞经过特定的基因修饰可以对特定肿瘤细胞表现出强烈的跟踪追击能力。作者所在实验室既往研究发现，脐带间充质干细胞和脑胶质瘤细胞共培养能够明显抑制脑胶质瘤细胞的生长并且改善了肿瘤微环境[11]。就目前的研究进展来看，间充质干细胞治疗脑胶质瘤的研究还处于起步阶段，虽然已取得了一定的成果，但是还缺少临床试验的验证，相信在不久的将来间充质干细胞一定能成为治疗脑胶质瘤有效的临床手段。 2.4 脐带间充质干细胞治疗脑胶质瘤的机制研究 2.4.1 脐带间充质干细胞归巢特征干细胞的归巢特性于2000年初次被发现，Aboody等[12]的研究结果发现，神经干细胞可向脑胶质瘤处迁移并且分散于肿瘤细胞周围。不论是自体的间充质干细胞还是异体的间充质干细胞都可以发生归巢[10]。自身的间充质干细胞可以在机体受损，如发生炎症、肿瘤的时候，经动员进入外周血，自发到达损伤部位参与组织修复；而外源性的间充质干细胞经输注体内进入循环后，也能归巢至靶组织或靶器官，发挥其调节、修复的作用[13]。Nakamura等[14]首先证实了间充质干细胞向神经胶质瘤的趋向性。Fan等[15]发现脐带间充质干细胞在瘤床中表现出强大的脑胶质瘤特异性靶向能力。Li等[16]的研究表明，被BrdU提前标记的间充质干细胞，具有迁移至颅内肿瘤和正常脑组织交界处的能力特性，而且他们发现动脉输注标记好的间充质干细胞主要集中于肿瘤组织内血管周围。 Wang等[17]的实验证实通过分子克隆技术修饰的间充质干细胞，可以使间充质干细胞归巢效果明显提高。最近的研究表明脐带间充质干细胞具有向癌症细胞归巢及分化的能力[18]。但是，有些研究发现间充质干细胞还表现出促肿瘤作用，间充质干细胞可以抑制肿瘤细胞凋亡、刺激血管生成、增加肿瘤细胞增殖、刺激上皮－间质转变和刺激肿瘤细胞转移[19]。而且，Rombouts等[20]的研究发现，新鲜分离的间充质干细胞较经传代培养的间充质干细胞具有更好的归巢能力，随着培养时间的增长，传代次数的增加间充质干细胞对机体修复的能力会下降。脐带间充质干细胞的归巢作用可能是使用间充质干细胞来治疗神经胶质瘤的潜在优势。由于不同的间充质干细胞，难以确定间充质干细胞迁移的确切机制。虽然上述研究已经揭示了一些可能的机制，但还需要进一步的研究来阐明这些细胞可以用于治疗脑胶质瘤之前的确切分子机制。 2.4.2 脐带间充质干细胞旁分泌机制脐带间充质干细胞可分泌多种不同的生长因子、细胞因子以及营养因子等，如白细胞介素8、单核细胞趋化蛋白、脑源性神经营养因子、胶质细胞源性神经营养因子等，这些因子可以通过调节炎症反应，阻止相邻细胞凋亡，或者促进癌症细胞的凋亡，促进组织再生，活化内源性干细胞，从而促进组织的内源性修复[21]。Watson等[22]的研究表明脐带间充质干细胞除修复作用外，还可通过生成某些特殊的治疗性因子来促进癌细胞的凋亡，并阻止其分裂。脐带间充质干细胞可自主释放众多促进血管生长的相关物质如：血管内皮生长因子和碱性成纤维因子等细胞因子促进新生血管增殖[23]，Chen等[24]的研究表明，脐带间充质干细胞可以通过白细胞介素1、白细胞介素6、白细胞介素7等炎性因子的介导下可向损伤血管部位迁移，有利于脐带间充质干细胞迅速的归巢到受损区域，分泌相应的细胞因子从而促进血管修复和新生。另一项研究表明，脐带间充质干细胞迁移至少部分依赖于血管生成信号因子，并且可能与肿瘤血管生成共享共同通路[25]。与其他几种癌细胞系相比，脐带间充质干细胞对人胶质瘤细胞系U-87MG，LN18，U138和U251具有强迁移能力。范存刚等[26]为了鉴定能够吸引人脐带血来源的间质干细胞的可溶性因子，他们使用细胞因子抗体阵列在来自U-87MG细胞的条件培养基中筛选改变的细胞因子。其中白细胞介素8和生长相关癌基因增强了UCB-MSC的迁移。此外，人脐带间充质干细胞在神经胶质瘤细胞(SNB19，U251，4910和5310)中通过上调PTEN发挥的抗肿瘤功能已经被证实[27]。脐带间充质干细胞在胶质瘤细胞和裸鼠肿瘤中可上调PTEN、下调Akt和PI3K信号通路分子，这导致了对胶质瘤细胞的迁移以及伤口愈合性质的抑制。在另一项研究中，研究人员发现脐带间充质干细胞能够抑制U87胶质母细胞瘤的多形体生长并促进细胞凋亡[28]。此外，在作者所在实验室既往研究也表明，人脐带间充质干细胞通过分泌的一些可溶性因子如Dickkopf-1，能够抑制胶质瘤细胞的生长[11]。越来越多的研究证明，脐带间充质干细胞能够通过分泌一些细胞因子等物质从而作用于癌细胞，抑制癌细胞的生长，为内源性的修复提供良好环境。不过目前还缺少临床上的具体实例的研究，相信在不久的将来脐带间充质干细胞临床治疗将会普及。 2.4.3 脐带间充质干细胞作为基因载体由于脐带间充质干细胞的固有归巢特性，一种新的治疗策略针对使用脐带间充质干细胞浸润的肿瘤细胞作为用于递送治疗基因的基于细胞的基因载体，这使得它们能够直接迁移到损伤、炎症和肿瘤部位[29]。恶性脑胶质瘤在临床上的治疗不如人意，有很大的原因是因为其具有高度侵袭性。但是，脑胶质瘤几乎不发生脑外及远处转移，所以可以将脐带间充质干细胞所携带的外源性抑癌因子释放到肿瘤所处的微环境中进而发挥抗肿瘤作用[3]。利用转基因技术使脐带间充质干细胞稳定表达抑癌基因或特定肿瘤抑制因子，可用于追踪侵袭性肿瘤细胞并在肿瘤部位分泌治疗性蛋白[30]。脐带间充质干细胞经慢病毒转染后可以分泌与肿瘤坏死因子相关凋亡诱导因子，实验证实经慢病毒转染自杀基因 HSV-TK等基因后的脐带间充质干细胞不论是在体内和还是体外能够效地抑制脑胶质瘤的生长和促进脑胶质瘤细胞凋亡[3]。在Kim等[31]的研究中，发现近红外荧光成像可以揭示在脑胶质瘤小鼠体内系统注射人间充质干细胞的分布和趋向。基于干细胞的疗法的全身性递送是可行且高效的治疗方式，并且允许以无创和重复的方式应用于恶性神经胶质瘤。基于近红外线的细胞追踪具有潜在的成像技术来监测脐带间充质干细胞介导的疗法，并改善恶性神经胶质瘤的治疗[31]。作为肿瘤坏死因子超家族成员的TRAIL首先被鉴定并通过其与肿瘤坏死因子和CD95L的序列同源性克隆，其可有效地诱导癌细胞的凋亡，且对正常细胞没有毒性[32]。Yang等[33]的研究证实，经可溶性TRAIL基因修饰的脐带间充质干细胞可以迁移至脑肿瘤组织周围，可稳定持续释放TRAIL，从而抑制肿瘤细胞生长，促进肿瘤凋亡，使脑肿瘤动物模型的寿命延长，而且其不会影响阴性对照组动物的生存时间。其他细胞因子也已被工程化到间充质干细胞中用于治疗神经胶质瘤。在许多肿瘤模型中已经证明通过使用MSC的细胞因子转移抑制肿瘤生长。这些细胞因子包括白细胞介素2、白细胞介素12、白细胞介素18，干扰素α，β干扰素，趋化因子CXC3CL1，表皮生长因子和血管内皮生长因子A[34]。Xu等[35]学者研究发现，经分子生物技术构建携带白细胞介素18的脐带间充质干细胞不仅可以稳定分泌白介素，同样可以抑制大鼠脑胶质瘤模型中肿瘤细胞生长，并可以延长脑胶质瘤大鼠的寿命。有研究发现，脐带间充质干细胞可通过携带金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of matrix metalloproteinases，TIMP)基因，从而分泌TIMP以减少肿瘤细胞释放基质金属蛋白酶，起到了对肿瘤迁移的限制作用，甚至可以使其凋亡[36]。郭兴荣等[37]的研究首次利用体外合成的抑癌基因(gene of phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN)mRNA修饰间充质干细胞作用于胶质瘤细胞，转染PTEN mRNA 后能一定程度提高间充质干细胞细胞对肿瘤迁移能力，而且显著抑制U251胶质瘤细胞的生长。 2.4.4 脐带间充质干细胞和脑胶质瘤共培养田毅等[38]将脐带间充质干细胞和脑胶质瘤干细胞两种细胞共培养后在倒置显微镜下可见脑胶质瘤干细胞球随着培养时间的增加出现分解、贴壁、分化现象；贴壁的脑胶质瘤干细胞免疫荧光染色胶质纤维酸性蛋白和巢蛋白均阳性。恶性程度高的脑胶质瘤组织培养的脑胶质瘤干细胞表达CD133表达水平越高，而与脐带间充质干细胞共培养后随着时间的变化均出现CD133表达水平降低。与脐带间充质干细胞共培养的脑胶质瘤干细胞与正常培养基培养的脑胶质瘤干细胞相比，增殖明显受到抑制。结果显示脐带间充质干细胞与脑胶质瘤干细胞体外共培养后可限制脑胶质瘤干细胞表面标记物CD133的阳性率以及细胞增殖能力并促使其分化[38]。 Jiao等[39]首次证实了间充质干细胞通过Bcl-2/ caspase信号通路可以抑制C6胶质瘤生长并诱导体内C6胶质瘤的凋亡，脐带间充质干细胞处理的胶质母细胞瘤细胞的生长迟缓不仅是由于通过胱天蛋白酶激活诱导凋亡，而且还由于Akt的表达降低和线粒体凋亡因子的参与。梁阿铭等[40]的研究证实，体外培养的脐带间充质干细胞不论是直接接触还是间接接触都可以抑制恶性胶质瘤细胞系SHG44细胞的生长。但是，脐带间充质干细胞抑制SHG44细胞的生长的具体机制尚不明确。不过国外有研究表明，经过脐带间充质干细胞和SHG44间接共培养后虽然SHG44细胞周期明显受到了抑制SHG44，但是细胞的数量并没有无明显的变化，他们认为可能与白细胞介素6和白细胞介素8等细胞因子有关[41]。靳晓亮[42]的研究表明脐带间充质干细胞和C6胶质瘤细胞共培养能够能够降低C6克隆团细胞之间的黏附作用，而且在共培养后C6增殖能力减弱，C6中bcl-2的表达随时间延长呈降低趋势，C6细胞的凋亡率随着时间延长呈上升趋势。采用间接共培养方法共培养后C6细胞bcl-2的表达降低趋势更为明显。脐带间充质干细胞与C6共培养后C6细胞凋亡率表现出更为明显的上升趋势[42]。汪玲[43]的研究表明通过人脐带间充质干细胞与U251脑胶质瘤细胞非接触共培养模型的构建，证实人脐带间充质干细胞受肿瘤微环境中炎症性因子作用易通过细胞周期限制点使增殖能力加强，受癌基因压力信号作用，p53蛋白激活致使不可修复的细胞衰老，防止其恶性转化，维持了细胞基因组的稳定性。王娜等[44]的研究表明脐带间充质干细胞通过非细胞接触方式抑制小胶质细胞的增殖并诱导其M2型转化，从而抑制炎症因子的释放、减轻中枢神经系统内的炎症损伤，最终发挥神经保护功能。目前有许多动物模型实验表明，脐带间充质干细胞不论是在体内还是体外直接接触到脑胶质瘤细胞时能够有效的抑制脑胶质瘤细胞的生长，并且促使脑胶质瘤细胞的凋亡，但其机制还不够明确，有待更深的研究。 2.5 脐带间充质干细胞安全性在细胞治疗中，细胞的安全性是倍受热议的话题。有些学者认为外源性细胞移植到体内会严重影响内环境，并且可能会致瘤。但在目前的研究来看还是有相当一部分的研究表明无论是在动物实验还是临床试验中干细胞移植还是具有良好的安全性的。脐带间充质干细胞因其来源丰富，具有较强增殖分化能力，不涉及伦理道德问题，有望成为组织修复与再生工程的首选细胞。但是，就目前的研究进展来说无论是在动物还是在临床上对脐带间充质干细胞安全性研究都比较少。芦慧颖等[45]的研究得出利用二次贴壁分离和大规模培养技术，由一根脐带获得的人脐带间充质干细胞建立的主细胞库和工作细胞库，可作为1万人份的治疗次数，因此，展现出良好的大规模应用前景。他们的研究首先侧重分析了该方法获得的干细胞的免疫表型稳定性、染色体稳定性、致瘤性、端粒酶变化等体外安全性[45]。有研究发现脐带间充质干细胞对裸鼠WiDr和Raji移植瘤模型的肿瘤增殖无促进作用，而且不同代次的脐带间充质干细胞在NOD/SCID裸鼠体内移植也不具有致瘤性[46]。Wang等[47]进行的灵长目动物食蟹猴的实验，通过向其静脉注射脐带间充质干细胞，然后进行大体观察、组织病理学检查通过临床观察评价毒性(体质量、体温、眼科考试)，病理学(血细胞计数、生化、尿常规、骨髓涂片细胞)，免疫(淋巴细胞转化试验的后果，干扰素和白细胞介素，CD3、CD8 T细胞的百分比)和病理解剖等评价其安全性，进一步的证实了脐带间充质干细胞的安全性。张文祥等[48]的研究表明，大鼠进行肌肉注射脐带间充质干细胞前后的肝功、肾功都没有明显变化，肝脏、肺脏、脑、脾脏、肾脏及注射部位肌肉的病理切片均在正常范围内。肌肉注射异种脐带间充质干细胞对肝脏、肺脏、脑、脾脏、肾脏及注射部位肌肉无不良影响。在Wistar大鼠肌肉注射一定范围内剂量的异种脐带间充质干细胞是安全可靠[48]。孙丽[49]的研究表明脐带间充质干细胞外泌体不会引起溶血反应，对注射点的血管、肌肉及周围组织都没有刺激性，不含有过敏原和致热源，对血常规指标没有不良影响，对急性心肌梗死模型的大鼠体质量的降低有一定的缓解作用并且对肝功能、肾功能都没有不良反应，各项结果都显示脐带间充质干细胞外泌体是安全可靠可以被应用的。韩丽鑫等[50]的研究结果表明对裸鼠进行尾静脉注射不同剂量的脐带间充质干细胞，脐带间充质干细胞不促进MCF-7裸鼠肿瘤的生长。综上所述，在动物实验中，注射间脐带充质干细胞对动物自身体内的影响微乎其微，脐带间充质干细胞在实验动物体内不具有致瘤性和促瘤性，而且具有良好的免疫原性，所以其具有一定的动物体内安全性。在对于临床体内的脐带间充质干细胞的治疗中，也有许多研究表明脐带间充质干细胞具有一定的安全性。Centeno等[51]的报道中显示，大约在300例应用间充质干细胞的临床试验中没有发现肿瘤生长现象。杨华强等[52]通过对2008年12月至2011年5月88例伴有神经系统疾病的患者给予鞘内注射干细胞治疗，随访1年，可见其中50例患者的神经功能得到一定改善，且鞘内注射脐带间充质干细胞治疗神经系统疾病是安全和有效的。刘高米洋等[53-54]发现人脐带间充质干细胞在非接触式培养方式下，能促进恶性程度较高的脑胶质瘤细胞株U87细胞增殖、转移和侵袭能力并且能够具有一定的体内安全性。陈榕等[55]通过在人门静脉灌注以及颈内静脉输注脐带间充质干细胞，结果表明脐带间充质干细胞兼有免疫调节能力及诱导免疫耐受的特性具有一定的体内安全性。虽然有报道称脐带间充质干细胞在体内治疗中有不良反应产生，但是更多的研究表明不论是在动物模型中还是在临床研究上脐带间充质干细胞还是具有一定的安全性的，相信随着越来越多的基础研究和临床研究进展，未来会对脐带间充质干细胞的安全性有更加深入的认识和了解。"

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