Homing mechanism of umbilical cord mesenchymal stem cells

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.06.031

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Umbilical cord mesenchymal stem cells have been used as ideal seed cells for tissue engineering and regenerative medicine because of the advantages of easy in harvest, non-pollution, easy amplification, no ethical issues and multi-directional differentiation potential.
OBJECTIVE: To review the homing mechanism of umbilical cord mesenchymal stem cells.
METHODS: The CNKI database, Wanfang database and PubMed database were searched by computer with key words “human umbilical cord mesenchymal stem cells, homing mechanism or home” both in English and Chinese for the articles related to umbilical cord mesenchymal stem cells, homing mechanism and clinical applications. All articles were recently published or published in the authorized journals. A total of 31 articles were included.
RESULTS AND CONCLUSION: Umbilical cord mesenchymal stem cells have the advantages of immune regulation and multi-directional differentiation, which provide a new treatment method of many diseases, while the characteristic of umbilical cord mesenchymal stem cells homing to ischemic or inflammatory tissue is the key to safe and effective clinical application. Understanding the homing mechanism of umbilical cord mesenchymal stem cells and making an efficient homing of umbilical cord mesenchymal stem cells are important for cell therapy.

Key words: stem cells, stem cell review, umbilical cord mesenchymal stem cells, homing characteristics, homing mechanism, stem cell surface markers, hepatocyte growth factors, chemokines, integrin, protease, immunomodulation, tissue engineering

CLC Number:

R318

Gu Wei, Gu Jian. Homing mechanism of umbilical cord mesenchymal stem cells[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(6): 1135-1140.

Figures/Tables 1

2.1 脐带间充质干细胞的体内归巢实验 Hu等[1]用超顺磁性纳米粒子标记脐带间充质干细胞经静脉注入脊髓损伤模型大鼠，MRI检测发现大鼠脊髓损伤区域信号明显降低，标记的脐带间充质干细胞聚集于炎症损伤部位，脊髓损伤预后改善。李芳等[2]将用DAPI标记的人脐带间充质干细胞经外周静脉移植后在急性肾小管坏死大鼠，用荧光显微镜观察，仅在肾组织的肾小管中见到DAPI阳性细胞，大鼠肾功能好转。于靓霞等[3]将脐带间充质干细胞移植到重症肌无力大鼠中，结果发现，经静脉注射的脐带间充质干细胞快速的迁移到炎症部位，有效抑制AchR(乙酰胆碱抗体)的产生。梁璐等[4]运用活体成像技术观察用DiI标记的人脐带间充质干细胞在肠炎模型小鼠体内的迁移情况，发现人脐带间充质干细胞可迅速迁移到炎症组织并诱导宿主免疫耐受。外源性脐带间充质干细胞可特异性迁移归巢至炎症组织，通过旁分泌、定向分化等机制，改善炎症环境，对损伤组织进行修复[5-6]。 2.2 脐带间充质干细胞的归巢特点与表面标志 2.2.1 脐带间充质干细胞的归巢特点研究表明脐带间充质干细胞“归巢”到靶组织分3步：识别此处微内皮血管，透过内皮，最后进入靶组织再生。“归巢”描述了干细胞迁移的特点，是一个多步骤协调的过程，许多细胞因子、化学因子、黏附因子和细胞外基质降解蛋白酶参与其中[7]。其中炎性趋化是其最重要的特征。组织损伤时局部会释放多种趋化因子、黏附因子、生长因子，这一系列的微环境改变是脐带间充质干细胞归巢的始动因素，内环境中多种化学因子及其受体间的相互作用，指导脐带间充质干细胞特异性归巢于病损组织。 2.2.2 脐带间充质干细胞的表面标志和其他来源的间充质干细胞相同，脐带间充质干细胞可表达不同的黏附因子和趋化因子，能使他们容易迁移并存留在不同的组织。利用流式细胞仪研究显示，脐带间充质干细胞的表面抗原具有非专一性，它表达了间质细胞、内皮细胞和表皮细胞的表面标志．主要包括以下四类[8-9]：①黏附分子类：表达人白细胞活化黏附因子(CD166)、细胞间黏附分子1(CD54)、细胞间黏附分子2(CD102)、淋巴细胞功能相关抗原3(CD58)、NCAM神经细胞黏附因子(CD56)、归巢相关细胞黏附分子(CD44)、血管细胞黏附分子(CD106)等，但不表达P2selectin(CD62P)及内皮细胞黏附分子(CD31)等。②生长因子和细胞因子受体：表达白细胞介素1 受体(CD121)、白细胞介素3受体(CD123)、白细胞介素6 受体(CD126)、白细胞介素7 受体(CD127)、干扰素γ 受体(CDw119)、肿瘤坏死因子α受体(CD120a)、成纤维细胞生长因子受体、血小板源生长因子受体(CD140a) 等，不表达白细胞介素 2 受体(CD25)。③整和素家族成员：表达迟现抗原α1 (CD49a)、迟现抗原α2 (CD49b)、迟现抗原β (CD29)、β4 整和素(CD104)等，不表达淋巴细胞功能相关抗原1α(CD11a)、巨噬细胞表面分子抗原(CD11b)等。④其他分子：表达SH2、SH3、SH4、Thy1(CD90)、5’末端核苷酸酶(CD73)、Endoglin (CD105)等，不表达CD34、CD45、MHCⅡ类分子以及其刺激因子B7- 1(CD80)、B7-2(CD86)等。 2.3 脐带间充质干细胞的归巢机制 2.3.1 基质细胞衍生因子/CXC趋化因子受体4轴基质细胞衍生因子1为相对小分子质量(8-10)细胞因子，属于趋化因子CXC亚家族，编码区含267 bp，编码89个氨基酸残基多肽，系统命名为 CXCchemokine ligand-12(CXCR12)。分子结构为N端两个半胱氨酸(CY)之间被另一个氨基酸残基X所分隔。具有两种异构体基质细胞衍生因子1α和基质细胞衍生因子β，其调节表达方式和功能相似。CXC趋化因子受体4是一类表达于不同细胞上含有7个跨膜区的G蛋白偶联受体。由352个氨基酸组成，在人体内，编码基因位于人染色体2q21，有一个胞外N端，3个胞内环，3个胞外环和1个胞内C端，基质细胞衍生因子1与CXC趋化因子受体4的N端结合，并与CXC趋化因子受体4和第二胞外环ECL2 (second extracelluar loop) 相互作用才能启动下游信号通路。基质细胞衍生因子1与其特异性受体CXC趋化因子受体4形成的基质细胞衍生因子1/CXC趋化因子受体4 轴是促进脐带间充质干细胞向损伤组织归巢最重要的生物轴[10]，能够促进移植脐带间充质干细胞向损伤组织迁徙，当组织缺血、缺氧、发生炎症时会上调基质细胞衍生因子1α的表达，使局部基质细胞衍生因子1α的浓度升高并向周围扩散，在基质细胞衍生因子1α的作用下，可引起CXC趋化因子受体4二聚体的形成，通过激活G蛋白偶联的PLC和PI3k，而PLC和PI3k又通过激活蛋白激酶C途径，随后再激活其下游与黏附因子相关的酪氨酸激酶和细胞外信号调节等信号分子，从而趋化表面表达CXC趋化因子受体4的脐带间充质干细胞沿着浓度梯度到达损伤部位参与组织修复[11]，促进细胞的增殖与迁移，而且具有抑制脐带间充质干细胞的凋亡、增加存活率及增殖活性等作用。脐带间充质干细胞在黏附毛细血管前首先沿毛细血管内皮细胞壁滚动。Ruster等[12]发现在遗传性缺乏P选择蛋白的小鼠沿血管壁滚动黏附的间充质干细胞会明显减少, 说明它与脐带间充质干细胞沿血管壁滚动黏附有关。接着间充质干细胞开始向内皮紧密黏附，这其中血管细胞黏附因子1与超延迟抗原4构成的超延迟抗原4/血管细胞黏附因子1轴在紧密黏附过程中起重要作用。超延迟抗原4是黏附分子中的一种整合素，经超延迟抗原4抗体处理过的人间充质干细胞在具有剪力的血流中向内皮细胞的黏附明显减少，提示脐带间充质干细胞黏附对超延迟抗原4有明显的依赖相关性。同时Segers等[13]研究发现，在静态培养的脐带间充质干细胞中加入抗血管细胞黏附因子1单克隆抗后，脐带间充质干细胞对心脏毛细血管内皮细胞的黏附力完全消失，表明脐带间充质干细胞黏附到内皮细胞的过程是由血管细胞黏附因子1实现的，可见间充质干细胞黏附到内皮细胞最主要是依赖于超延迟抗原4/血管细胞黏附因子1轴。细胞间黏附分子1/淋巴功能相关抗原1，血管细胞黏附因子1/超延迟抗原4配体受体配对后，脐带间充质干细胞才能归巢，若阻断血管细胞黏附因子1或超延迟抗原4，脐带间充质干细胞的归巢将明显降低。总的来说脐带间充质干细胞归巢与白细胞迁移至炎症组织或淋巴细胞归巢至淋巴结相似。E-选择素和P-选择素介导干细胞在内皮细胞层的滚动，然后内皮细胞分泌的基质细胞衍生因子1激活CXC趋化因子受体4阳性细胞并促发淋巴功能相关抗原1/血管细胞黏附因子1和超延迟抗原4/血管细胞黏附因子1间作用使干细胞黏附于内皮组织，而超延迟抗原1和超延迟抗原5与细胞外基质纤维结合素的作用使干细胞穿过细胞外基质并顺着基质细胞衍生因子1浓度迁移至损伤组织。 2.3.2 肝细胞生长因子/c-met轴肝细胞生长因子及其受体c-met构成的肝细胞生长因子/c-met轴在脐带间充质干细胞的迁移归巢中起重要作用。肝细胞生长因子最初发现由肝细胞分泌，现研究发现其与组织损伤中的促细胞有丝分裂、抗凋亡、抗炎及组织再生有关[14]。Chen等[15]将人肝细胞生长因子基因转染脐带间充质干细胞经静脉对缺血/再灌注诱导的急性肾损伤大鼠模型进行移植，经荧光标记发现肝细胞生长因子-脐带间充质干细胞细胞达到损伤肾脏数量明显增多，损伤肾脏细胞表面肝细胞生长因子受体c-met上调，急性肾损伤大鼠肾功能相比较未转染组脐带间充质干细胞移植组明显改善。 2.3.3 趋化因子脐带间充质干细胞迁移至特定区域可由趋化因子介导，近来调查表明脐带间充质干细胞表达趋化因子受体，其中CXC趋化因子受体5和CXC趋化因子受体7与干细胞向淋巴器官的归巢有关[16-17]；CXC趋化因子受体4和CXC趋化因子受体10参与干细胞向多种器官的特异性归巢；CXC趋化因子受体3、CXC趋化因子受体1和CXC趋化因子受体5参与炎症反应，并在干细胞的归巢中发挥作用，CCL2、CCL4、CCL5、CCL20、CXCL12、CXCL8和CXCL1这些趋化因子受体可参与一系列信号转导，例如激活这些趋化因子受体可使有丝分裂原激酶(ERK21 或ERK22)的磷酸化，启动成簇黏附激酶信号转导途径。Sasaki等[18]发现注射间充质干细胞会加快伤口的修复是由于脐带间充质干细胞在伤口处的聚集。Keratinocytes等[19]发现在伤口处的皮肤高表达CCL21，而间充质干细胞以表达CCL21的特异性受体CCR7为特征。在体内外实验中均发现通过CCL21/CCR7的相互作用促进间充质干细胞在伤口处的聚集。此外，局部皮肤表达CCL21有助于间充质干细胞分化为多种细胞类型。 2.3.4 整合素相关研究显示：整合素在脐带间充质干细胞的黏附、迁移和趋化过程中起重要作用，Ip等[20]在AMI模型中发现整合素β1作为一条独立的不依赖于CXC趋化因子受体4的信号通路引导间充质干细胞向损伤的心肌进行迁移。Podocalyxin(PODXL)是CD34家族中分支黏液蛋白中的成员，Lee等[21]表明PODXL和整合素α6 (CD49f)在间充质干细胞的归巢和迁移中起作用，研究显示间充质干细胞更多的移植聚集至受损的心脏和肾脏。通过FACS分析显示：PODXL(hi)/CD49f(hi)间充质干细胞比PODXL(low)/CD49f (low)的克隆性更强，更易分化，通过干扰RNA合成抑制PODXL合成会导致细胞的聚合。此外PODXL(hi)/CD49f(hi)细胞不易形成致命性肺栓塞，心肌梗死小鼠静脉滴注间充质干细胞发现大量的间充质干细胞出现在心肌和肾脏。 2.3.5 酶在脐带间充质干细胞归巢的过程中，除了趋化因子和黏附分子作用外，迁移的脐带间充质干细胞分泌的酶对其归巢起重要作用。脐带间充质干细胞分泌的蛋白酶通过调节内皮基底膜和降解细胞外基质以利于其归巢至靶器官。De Becker等研究在体外培养的间充质干细胞用基质金属蛋白酶2抗体阻断后其经内皮迁移的能力明显下降。Neuss等[22]研究显示，间充质干细胞分泌的纤溶酶(组织纤溶酶原激活物、尿激酶型纤溶酶原激活物、尿激酶型纤溶酶原激活物受体、纤溶酶原激活物抑制因子)促使间充质干细胞进入纤溶蛋白凝块并将其降解，从而使间充质干细胞进入损伤组织并参与组织修复重建，所以间充质干细胞分泌的各种酶与归巢密切相关。 2.3.6 其他有研究发现，重组人粒细胞刺激因子可提高脐带间充质干细胞向基质细胞衍生因子1的迁移能力。这一过程是通过CD44与其受体(一种归巢黏附分子)结合实现的，与基质细胞衍生因子1受体CXC趋化因子受体4无关。有学者发现，炎症时损伤组织释放一系列的细胞因子，白细胞介素1、白细胞介素6、白细胞介素7促进静脉注射的脐带间充质干细胞的迁移和归巢。在脐带间充质干细胞移植治疗疾病过程中，血管内皮生长因子促进脐带间充质干细胞移动到受损靶组织，而且血管内皮生长因子是启动血管新生的因子，通过激活内皮细胞内的一氧化氮酶，继而产生细胞内的一氧化氮，在内皮细胞中的β-catenin亚硝基通过一氧化氮被化学修饰，可以使内皮细胞间彼此分离，从而增加血管通透性和间充质干细胞归巢。原子力显微镜下观察人脐带间充质干细胞示：细胞骨架蛋白丝(主要是微管、肌动蛋白丝和中间丝)延伸至整个细胞质，形成了梭样结构，说明其强大的增殖、迁移潜能；细胞周边也有许多平行排列纤细的肌丝和大量的丝状伪足，这些都利于细胞的贴壁生长、移动及向其他组织细胞分化[23]。 2.4 脐带间充质干细胞的主要影响因素脐带间充质干细胞的归巢受许多因素影响，例损伤组织部位，移植途径，移植时间和数量及有利于归巢基因转染等[24]。研究小组发现通过修改脐带间充质干细胞功能特性，可以使间充质干细胞高效归巢。间充质干细胞的修改包括用反转录病毒携带CXC趋化因子受体4转染脐带间充质干细胞[25]，或者用肿瘤坏死因子α、干扰素γ、干扰素β、copaxone、胰岛素样生长因子刺激细胞[26]，此外还有一些研究组通过改变基因表达如改变趋化因CXC趋化因子受体4的表达，从而提高细胞向受损靶组织和器官迁移的数量，可改善脐带间充质干细胞移植治疗损伤性疾病的疗效[27]。"

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