Clinical application and advancement of bone marrow mesenchymal stem cells in the treatment of various diseases

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.21.020

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Bone marrow mesenchymal stem cells as non-hematopoietic stem cells from the mesoderm mostly come from the bone marrow, which have a stronger self-renewal ability, multilineage differentiation ability and low immunogenicity and are easy to receive the introduction of foreign genes. Therefore this kind of cells have become the research hotspot in recent years.

OBJECTIVE: To summarize the latest clinical application and advancement of bone marrow mesenchymal stem cells in the treatment of various diseases.

METHODS: PubMed (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PubMed) and SinoMed (http://www.sinomed.ac.cn/zh/) databases were searched by the first author using the keywords of “bone marrow mesenchymal stem cells, therapy” to identify the relevant articles published in English and Chinese, respectively, from 2011 to 2016. After excluding repetitive, irrelevant or Meta-analysis literatures, we enrolled 49 literatures for final analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: Studies on bone marrow mesenchymal stem cells have achieved new grades in the treatment of respiratory system disease, cardiovascular disease, urinary system disease, nervous system disease, liver disease, diabetes mellitus, hematological system disease, autoimmune disease, graft-versus-host disease, motor system disease, although its application has the risk of oncogenicity. Further investigation on the oncogenicity of bone marrow mesenchymal stem cells will be gradually explored, aiming to a better clinical use of bone marrow mesenchymal stem cells.

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: Bone Marrow, Mesenchymal Stem Cells, Disease, Tissue Engineering

CLC Number:

:R318

Zhang Kai-hui, Xu Bao-shan, Yang Qiang. Clinical application and advancement of bone marrow mesenchymal stem cells in the treatment of various diseases[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(21): 3400-3406.

Figures/Tables 1

2.1 骨髓间充质干细胞概述 Friendenstein首先描述了骨髓中含有一种非造血干细胞，随后这些细胞被命名为间充质干细胞。最初从骨髓中分离出来，而后在外周血、脐血、脐带结缔组织、脂肪组织等组织中皆可分离到，但骨髓仍然是其主要来源。国际干细胞治疗协会提出的人的间充质干细胞的标准是：①在标准培养基条件下具有贴壁性；②特定的表面抗原表达，阳性表达如CD29、CD73、CD90、CD105等表面分子；较少表达如CD14、CD31、CD34、CD45、CD11b、CD79α、CD19以及HLA-DR等分子；③在体外特定分化培养条件下，细胞可以分化为骨细胞、脂肪细胞以及软骨细胞。 2.2 骨髓间充质干细胞的生物学特性 2.2.1 自我更新和多向分化能力骨髓间充质干细胞具有自我更新能力，其具有较强的端粒酶活性，可通过不对称分裂方式增殖，维持自身干细胞的数量。骨髓间充质干细胞具有多向分化潜能，在一定的体内外环境下可以分化为各种组织细胞，如成骨细胞、骨骼肌细胞、心肌细胞、神经细胞、肝细胞和软骨细胞等。 2.2.2 低免疫原性和免疫调节功能免疫原性是指抗原能刺激特定的免疫细胞，使免疫细胞活化、增殖、分化，最终产生免疫效应物质抗体和致敏淋巴细胞的特性。人类间充质干细胞只表达低水平的MHC-Ⅰ类分子，不表达MHC-Ⅱ类分子以及共刺激分子，如CD40、CD80、CD86和CD40L等，这些特性使间充质干细胞能免于NK细胞介导的细胞溶解作用，说明间充质干细胞具有低免疫原性；此外，间充质干细胞还具有明显的免疫调节功能，其可以抑制体外T-和B-细胞的功能，Li等[1]指出骨髓间充质干细胞通过细胞间的接触以及分泌溶解因子抑制CD8+T细胞的增殖与细胞因子释放。 2.2.3 归巢能力在多种环境的影响下能向缺血或损伤组织聚集并发挥生物学效应是间充质干细胞的一个重要特征。间充质干细胞的归巢能力是指相应组织或细胞损伤后，间充质干细胞能穿过内皮细胞定向迁移到达病变损伤的靶组织，发挥生物学功能的过程。归巢并迁移至靶组织的能力是骨髓间充质干细胞发挥生物学效应的至关重要的一个环节。 2.2.4 旁分泌功能和作为基因治疗的运载工具由于骨髓间充质干细胞具有良好的旁分泌功能，使得其能够分泌多种物质，如神经营养因子、细胞因子和趋化因子等，调节损伤局部的微环境，减轻炎症反应，促进受损组织的修复；由于骨髓间充质干细胞具有归巢的能力，可以利用其作为运载各种基因的工具，如Zhang等[2]使用骨髓间充质干细胞作为肿瘤靶向自杀基因的载体治疗肺部转移瘤、Ryu等[3]构建骨髓间充质干细胞-IFNβ基因复合体，从而达到治疗相关疾病的目的。 2.3 骨髓间充质干细胞的分离及培养目前骨髓间充质干细胞主要取材于髂前上棘，大动物骨髓间充质干细胞获取位置与人类相同，小动物主要从其股骨、胫骨处获取。体外分离主要使用贴壁筛选法、流式细胞仪分离法、免疫磁珠分离法和密度梯度离心法等，目前应用较为广泛的是密度梯度离心法；不同实验室培养骨髓间充质干细胞的方法各异，使用最为广泛的培养基是含体积分数为10%胎牛血清和1%双抗的低糖DMEM，以95%饱和湿度，37 ℃CO2孵箱培育。扩增骨髓间充质干细胞时常用标记方法包括荧光标记法、化学标记法、Y染色体标记法等方法[4]。 2.4 骨髓间充质干细胞在各疾病的研究与应用进展 2.4.1 在呼吸系统疾病中的应用 Zhang等[2]使用骨髓间充质干细胞作为肿瘤靶向自杀基因的载体通过非病毒转染方式治疗肺部转移瘤，结果显示在体外骨髓间充质干细胞基因复合体对肿瘤细胞有明显的自杀效应；Zhang等[5]在高氧环境下暴露5 d的SD新生鼠体内注入骨髓间充质干细胞或PBS，结果显示注入了骨髓间充质干细胞的大鼠体质量明显增加，促进了肺泡发育，抑制了肺部炎症。Das等[6]研究表明CD271+骨髓间充质干细胞可能为静止期的结核分枝杆菌提供了长期的细胞内保护作用；Beamer等[7]也发现了相似的结论即骨髓间充质干细胞为结核分枝杆菌提供了一个抗生素保护龛。Guan等[8]在鼠的肺中注入骨髓间充质干细胞，结果显示：肺促炎因子(肿瘤坏死因子α，白细胞介素1b，单核细胞趋化蛋白1，白细胞介素6)以及蛋白酶(基质金属蛋白酶9和基质金属蛋白酶12)水平下调，血管内皮生长因子、血管内皮生长因子受体2和转化生长因子水平上调，从而减弱了肺细胞的凋亡，表明骨髓间充质干细胞对肺气肿有潜在的治疗能力，并且能恢复部分肺功能。 2.4.2 在心血管疾病中的应用骨髓间充质干细胞在心血管系统疾病中的应用也正在深入的研究。Liu等[9]观察到miR-16在人骨髓间充质干细胞向心肌细胞分化方面起着重要的作用，可能是通过调控心肌标志基因的表达并阻滞人骨髓间充质干细胞周期于G1期来实现的。有研究指出由间充质干细胞分泌的细胞外基质囊泡(Evs)有促血管形成作用，然而其治疗心脏缺血的效果还未知；Bian等[10]研究指出骨髓间充质干细胞在低氧的刺激下能够分泌大量的细胞外基质囊泡，并且发现在心肌内注射间充质干细胞分泌的细胞外基质囊泡能明显促进血流恢复，减少梗死面积以及保护心脏的收缩和舒张功能；Williams等[11]制作胶囊阻塞猪冠状动脉左前降支模型来研究c-kit+心肌干细胞联合人骨髓间充质干细胞减少心肌梗死面积的效果，结果显示两者联合使用比单一应用更能减少梗死面积，恢复梗死后心肌的收缩和舒张功能。 2.4.3 在泌尿系统疾病中的应用骨髓间充质干细胞在肾脏疾病如肾小球硬化、肾缺血再灌注等治疗方面也取得了新的进展。Belingheri等[12]首次运用自体骨髓间充质干细胞移植治疗肾移植后2周发生局灶节段性肾小球硬化患者，结果显示肾功能稳定，并且在没有透析治疗下，尿蛋白同样达标，一些循环的炎性因子(CD40L，EN-RAGE，otaxin-3，IL-16，MIF，MPO，NT-proBNP)水平都较低。肾缺血再灌注能导致肾小管上皮细胞死亡，甚至引起急性肾衰竭。Fang等[13]通过制备兔肾缺血再灌注模型，分3组分别注入表达人骨形态发生蛋白7的骨髓间充质干细胞、单一骨髓间充质干细胞以及磷酸缓冲液，结果指出前2组超氧化物歧化酶活性较高以及丙二醛水平较低，其中表达人骨形态发生蛋白7的骨髓间充质干细胞组超氧化物歧化酶活性最高以及丙二醛水平最低，从而指出骨髓间充质干细胞移植联合人骨形态发生蛋白7能更高效地治疗肾缺血再灌注损伤；Gunetti等[14]研究SD大鼠骨髓间充质干细胞对尿失禁的治疗效果，结果显示骨髓间充质干细胞能存活较长时间，并且可以定向迁移到肌肉，无不良反应，同时它们不需要免疫抑制治疗。 2.4.4 在神经系统疾病中的应用多巴胺对帕金森病的治疗起着重要的作用。有报道多种物质能促进骨髓间充质干细胞分化为多巴胺神经元，如成纤维细胞生长因子2、SHH蛋白、成纤维细胞生长因子8。Nandy等[15]研究指出人骨髓间充质干细胞可在非常简单的介质上分化为多巴胺神经元用于治疗帕金森病；Ren等[16]为观察自体骨髓间充质干细胞移植的有效性及不良反应，选取30例神经系统疾病患者，在给予自体骨髓间充质干细胞治疗后，随访1，3，6，12，24个月，在第1个月时，神经系统功能明显提高，随着时间延长，疗效呈现缓慢好转的趋势，从而表明自体骨髓间充质干细胞移植治疗神经系统疾病是方便、安全和有效的。Calio等[17]制备卒中型自发性高血压鼠模型，接受骨髓间充质干细胞移植治疗，评价其是否能够减少凋亡率和氧分压。qRT-PCR显示移植后高表达抗凋亡Bcl-2基因，结果还表明过氧化物、凋亡细胞以及脂质过氧化物数量降低。说明骨髓间充质干细胞在治疗卒中型自发性高血压方面有神经保护功能和抗氧化潜力；Tsai等[18]通过小鼠实验证实来自缺血性脑卒中组和正常对照组的骨髓间充质干细胞具有相同的成纤维样细胞形态，表达CD29、CD90、CD44等表面分子，且能增加神经连接以及在混合神经胶质培养基上的存活率；Yang等[19]定向诱变缺氧诱导因子1α，使诱变体含有P564A和N803A，通过无毒转染技术转染到骨髓间充质干细胞，而后将高表达突变缺氧诱导因子1α的骨髓间充质干细胞复合体移植到大脑中动脉闭塞鼠模型，结果显示该复合体能稳定提高运动功能、减小脑梗死面积以及提高血管内皮生长因子蛋白表达，显示其治疗脑缺血性疾病的潜力。尽管外周神经有自我修复的能力(许旺细胞是外周神经再生的主要支持细胞)，但是损伤后仍然能导致相当程度的功能缺失。Oliveira等[20]将骨髓间充质干细胞作为替代细胞治疗外周神经损伤，以其良好的可塑性以及多效和多功能性，显示出在治疗外周神经损伤疾病上的良好前景。极低频率电磁场治疗是最近出现的一门新兴技术，在细胞和分子水平产生生物效应进而促进人骨髓间充质干细胞向神经细胞分化。Choi等[21]制备出含有聚乙二醇磷脂包裹的磁性氧化铁纳米粒子的人骨髓间充质干细胞，然后将其置于50 Hz的电磁场区域，结果表明电磁场能促进其向神经细胞分化；Park等[22]指出电磁场诱导人骨髓间充质干细胞向神经细胞分化的机制可能与表皮生长因子受体(EGFR)信号系统以及减弱活性氧的产生有关。Mendonça等[23]选取14例年龄18-65岁的胸段或腰段患有慢性脊髓损伤的患者作为受试对象，其美国脊髓损伤协会分级为A级。间充质干细胞直接注射至椎板切除和硬脑膜切开术的损伤区域。结果表明细胞移植是完全安全和耐受良好的治疗措施，所有受试对象在触觉上均有不同程度的改善，8例患者的下肢功能改善，9例患者的排尿功能恢复。 2.4.5 在肝脏疾病中的应用对终末期肝病和肝代谢性疾病而言，肝移植是其最后的选择。但其较高的并发症、高花费、供者有限等原因限制其大规模应用于临床。近年来，细胞移植治疗肝脏疾病进行了广泛的研究。Pournasr等[24]从一位健康青年的髂嵴抽取骨髓，运用密度梯度离心法分离出骨髓间充质干细胞，诱导培养结果显示由骨髓间充质干细胞诱导的肝细胞样细胞分别在mRNA和蛋白质水平表达了肝细胞特有标志，并且这些分化细胞有吸收低密度脂蛋白，清除血氨，分泌白蛋白，储存糖原的功能。Xu等[25]利用随机对照试验观察28例自体骨髓间充质干细胞移植治疗乙肝肝硬化的临床疗效(对照组28例患者没有进行细胞移植治疗)，经过2年的随访，20例随访到的患者肝功能明显提高，且Treg细胞明显增多，Th17细胞减少，从而增加了Treg/Th17比值。Pan等[26]指出骨髓间充质干细胞条件培养液促进了肝细胞的分化，且明显阻止了由H2O2介导的肝细胞凋亡；Dong等[27]研究指出丙戊酸能促进骨髓间充质干细胞向肝细胞分化，原因可能是丙戊酸抑制了脱乙酰作用，从而保持了染色质乙酰化状态，从而为其大规模应用于临床提供了可能。Xie等[28]通过基因工程改造制备骨髓间充质干细胞/β-干扰素复合体，进而测定其对肿瘤细胞生长的影响，结果表明该复合体能稳定分泌高水平的β-干扰素，癌细胞的生长速度明显降低。结果表明骨髓间充质干细胞/β-干扰素复合体是一种强有力的抗癌细胞工具。 2.4.6 在糖尿病中的应用骨髓间充质干细胞作为细胞移植治疗的主要细胞，同样也应可以治疗下肢缺血。Lu等[29]选取50例有下肢缺血的2型糖尿病患者，将其随机分为移植组(多点肌肉和皮下注射自体骨髓间充质干细胞)和对照组。结果表明移植组缺血症状，包括静息痛、间歇性跛行都明显改善，并且溃疡愈合率明显好于对照组，踝臂指数明显提高。磁共振血流成像提示大多数移植组患者的新生血管分数超过或等于2，截肢率也明显低于对照组，其表明自体骨髓间充质干细胞移植能明显减轻2型糖尿病患者下肢缺血和促进溃疡愈合；该作者还选取41例2型糖尿病患者，通过随机双盲试验比较骨髓间充质干细胞和骨髓单个核细胞的治疗效果，结果表明在细胞治疗方面，骨髓间充质干细胞具有更好的耐受性，且能提高下肢灌流和促进糖尿病足的溃疡愈合；尽管间充质干细胞有巨大的治疗潜力，但由于其较弱的活性及耐受性限制了其组织修复能力。有研究证实，糖尿病能损害骨髓间充质干细胞，减弱其增殖、分泌、抗凋亡以及分化能力。Hou等[30]制备高表达血红素加氧酶1骨髓间充质干细胞复合体，将其接种到固态胶原中，置于糖尿病鼠伤口处，结果提示该复合体能明显促进血管形成和伤口愈合。Tsai等[31]研究者通过特定的条件，将骨髓间充质干细胞定向诱导分化为胰岛素分泌样细胞。使用导管将胰岛素分泌样细胞移植至糖尿病鼠的门静脉，结果显示血糖水平降低；Milanesi等[32]研究证实表达VEGF 和PDX1的骨髓间充质干细胞能有效恢复大多数糖尿病鼠的血糖，可以促进β细胞的分化。 2.4.7 在血液系统疾病中的应用骨髓间充质干细胞不仅具有多向分化性，还能分泌各种因子，生长分化因子就是其中一重要的生长因子，Corre等[33]测定131例多发性骨髓瘤患者GDF15水平，结果表明存在于肿瘤微环境中的由骨髓间充质干细胞分泌的GDF15对多发性骨髓瘤而言，是一个重要的生存和保护因子，与患者的生存率密切相关；Zhao等[34]研究认为来源于骨髓增生异常综合征患者的骨髓间充质干细胞与正常来源的骨髓间充质干细胞在形态学、生长特点与分化能力方面无显著差异，并且有正常的染色体组型和超微结构，然而骨髓增生异常综合征患者的骨髓间充质干细胞的免疫调节功能和造血支持功能则受到了影响。 2.4.8 在自身免疫性疾病和移植物抗宿主病疾病中的应用干燥综合征是以口腔、眼睛干燥为特征的系统性自身免疫性疾病，其细胞及分子学发病机制是较复杂的。Xu等[35]对干燥综合征样NOD/Ltj鼠和干燥综合征患者分别给予骨髓间充质干细胞治疗，结果显示小鼠和患者恢复了唾液腺的分泌功能，该治疗引导T细胞向Treg和Th2方向分化，抑制了Th17和Tfh反应，减轻了疾病的症状，因而同种异体移植骨髓间充质干细胞治疗可能为干燥综合征患者提供一个新型、有效和安全的治疗方法；Che等[36]研究表示，系统性红斑狼疮患者的骨髓间充质干细胞抑制正常B细胞增殖和分化功能受损的主要原因是由于CCL2水平减低所致，进而损坏了骨髓间充质干细胞对B细胞的抑制能力；相反，在体外系统性红斑狼疮患者的骨髓间充质干细胞高表达CCL2后则恢复了骨髓间充质干细胞对B细胞的调节能力，且改善了MRL/lpr鼠狼疮肾炎和血清学改变的病理过程。因而，由骨髓间充质干细胞控制的CCL2为自身免疫性疾病治疗提供了一个新的途径；顽固性移植物抗宿主疾病是自体造血干细胞移植的一个重要死亡原因。Zhao等[37]选取了47例患有顽固性移植物抗宿主病的患者，其中28例患者接受骨髓间充质干细胞治疗，余19例患者未接受，给予骨髓间充质干细胞患者平均每人4剂(每剂1×106/kg)后，缓解率达75%，巨细胞病毒感染及肿瘤复发率两组间没有明显差异，移植组急慢性移植物抗宿主病的发生率明显低于未移植组，由此表明，来源于第三方的骨髓间充质干细胞治疗顽固性移植物抗宿主病是有效的；Copland等[38]研究表明，自体造血干细胞移植后发生移植物抗宿主病患者的骨髓间充质干细胞与健康对照组的骨髓间充质干细胞功能类似。 2.4.9 在运动系统疾病中的应用研究表明自体移植间充质干细胞对骨关节炎有着良好的治疗效果。Vega等[39]将30例患有慢性膝关节疼痛、保守治疗无效且有骨关节炎影像学证据的患者分为2组，实验组予以关节内注射同种异体骨髓间充质干细胞，对照组予以透明质酸，随访1年，评价其疼痛、残疾以及生活质量。结果显示治疗组疼痛指数明显改善，且软骨质量明显提高，故同种异体移植骨髓间充质干细胞在治疗骨关节炎上可能是自体移植骨髓间充质干细胞的一种有效的替代治疗手段，由于这种干预措施是简单的、不需要手术、有效缓解疼痛且明显提高了软骨质量，因而其更加合理；Lubis等[40]结果显示培养的骨髓间充质干细胞达到了要求的数量，且所有年龄段的骨髓间充质干细胞显示相同的形态学及相同的表面标志(CD105+，CD73+，CD34-，CD45-，CD14-，CD19-)；在股骨头治疗方面，骨髓间充质干细胞也有广泛的应用。Zhao等[41]使用骨髓间充质干细胞联合多孔钽棒移植以及带血管骨瓣移植治疗终末期股骨头坏死，选取了31侧有终末期坏死的股骨头(19侧ARCO Ⅲc级/12侧ARCO Ⅳ级)，平均哈里斯髋关节评分提高了近50%，因而这种方法是安全的，并且延缓或避免了终末期全髋关节置换；Tibullo等[42]指出第2代酪氨酸激酶抑制剂如伊马替尼对健康供者骨髓间充质干细胞具有成骨促进效果；Hernandez-vallejo等[43]指出普伐他汀可以改变HIV感染患者使用蛋白酶抑制剂受损的骨髓间充质干细胞的成骨能力；Wang等[44]用腺病毒转染骨形态发生蛋白2(Ad-BMP-2)和转化生长因子β3(Ad-TGF-β3)的猪骨髓间充质干细胞联合去矿化骨基质在恢复关节软骨缺损方面有良好的生物相容性以及能较好的诱导软骨再生。 2.4.10 在其他疾病中的应用随着近几年对间充质干细胞的快速研究，骨髓间充质干细胞在其他组织与器官中也有广泛的应用。Xue等[45]将人骨髓间充质干细胞注射到烧伤鼠模型皮肤上，结果发现伤口愈合速度明显加快，新生血管的数量和密度也明显增加，体质量和活动也恢复较快，并且没有发现肿瘤生长，这些结果表明了骨髓间充质干细胞移植能有效提高烧伤鼠模型的伤口愈合，使用骨髓间充质干细胞可能有助于未来烧伤患者的治疗；Yoo等[46]将骨髓间充质干细胞在真皮乳头形成培养基上定向分化为真皮乳头样组织，该组织与天然的真皮乳头样组织有着相同的毛球结构与诱导能力，无胸腺小鼠移植真皮乳头样组织能够产生新生毛囊，骨髓间充质干细胞可能是人类毛发再生细胞治疗中一种新的细胞来源；杨波等[47]选择17例临床确诊溃疡性结肠炎患者，随机分为细胞治疗组(7例)和药物治疗组(10例)，细胞治疗组在肠镜直视下局部黏膜多点注射自体骨髓间充质干细胞，药物治疗组采用规范化药物治疗，结果显示细胞治疗组完全缓解5例，部分缓解2例，有效率100%，且随访3-14个月后，细胞治疗组完全缓解的5例中无一例复发，余2例症状也无加重。而药物治疗组9例中3例第2个月复发再次治疗，另4例分别在第3，5，10个月再次复发，因而表明自体骨髓间充质干细胞治疗溃疡性结肠炎是一种新型、有效的治疗方法。 2.5 骨髓间充质干细胞的致瘤性由于骨髓间充质干细胞具有很强的增殖特性，其在组织或细胞移植中理论上存在着致瘤性的危险。钱晖等[48]在SD大鼠尾静脉多次注射同种骨髓间充质干细胞，结果显示10只SD大鼠骨髓间充质干细胞注射20个月后有2只大鼠尾部发生肿瘤，且瘤细胞CD29+、CD44+、CD45+(弱)、CD90+等表面标志表明瘤细胞源于骨髓间充质干细胞突变。此研究结果表明，在长期输注或移植骨髓间充质干细胞的宿主体内存在着自发突变致瘤的风险。近年越来越多研究发现人骨髓间充质干细胞促进了胃癌的进展。Liu等[49]发现人骨髓间充质干细胞能够显著分泌白细胞介素6，白细胞介素6主要通过激动人胃癌细胞Src信号通路上调细胞活力，促进胃癌的进展。因而骨髓间充质干细胞的致瘤性是其在临床应用中必须要考虑的问题。"

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