许多临床研究或临床试验表明,间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSc)可以治疗多种疾病,特别是一些复杂疾病,但疗效不同。研究人员开始反思:为什么具有治疗功能的间充质干细胞在临床疗效上有很大差异?对于这个问题,不同的研究者有不同的思考和解释。
局部注射
Local injection
将人骨髓间充质干细胞局部注射到大鼠纹状体后,72天后仍能检测到人骨髓间充质干细胞的存在,并能迁移到胼胝体和大脑皮层。将MSC局部注射到右尾状核后,4周后可在脑内多个部位检测到MSC的存在,并发现MSC在脑内迁移,更倾向于遵循血管的方向。
然而,颈动脉注射后MSc在脑内的存活时间一般为1-2天[3-5]。24小时后,磁共振成像(MRI)显示MSC可以穿过血脑屏障,迁移到大脑皮层、皮质下白质层、纹状体、脑干,甚至到对侧大脑。将人骨髓间充质干细胞和大鼠骨髓间充质干细胞分别注入大鼠颈动脉。发现人骨髓间充质干细胞的清除率比大鼠骨髓间充质干细胞快,说明异种细胞的清除率更快[3]。
TNF-α和IL-1β首先刺激MSc(24h),然后将MSc注入左心室。与对照组相比,TNF-α和IL-1β刺激后,MSC趋化和向心肌缺血区迁移的数量显著增加,说明TNF-α和IL-1β可增强MSC的粘附能力,但VCAM-1单克隆抗体可阻断这种作用。
全身注射
Systemic injection
大鼠颈静脉灌注人MSC 1h后,大鼠体内检测到的人MSC数量减少到82%左右,8d后仅检测到0.06%,主要分布在肺、肝、脾等组织中,少数分布在肾、小肠和睾丸。随着时间的推移(2天至8天),睾丸中MSc的含量略有增加(4.6%至9.3%,黑柱)(见下图,图中百分比是指体内可检测到的细胞数,而不是输入的细胞总数)。
▲人MSC大鼠颈静脉输入
但在1940年以前,人均寿命并不符合这一规律。如上图1所示,在1940年之前的90年中(橄榄绿曲线下的曲线),出生时的预期寿命比儿童时期估计的要短。这一悖论在图2中更为清晰:19世纪中后期,出生时的预期寿命甚至比青春期的预期寿命还要短。
狒狒实验表明,骨髓间充质干细胞经外周静脉输注体内后,自体和异体间充质干细胞在体内的分布无明显差异。脐血来源的MSCs比骨髓MSCs更容易通过肺部,供体年龄越大,骨髓MSCs越容易滞留在肺部;滞留在肺部的MSC细胞数量与MSC细胞表面表达的整合素α4和α6密切相关,且表达水平越高是的,它留在肺里的可能性就越小。
外周静脉输注MSC后,大部分MSC留在肺内,随血流到达肝、肾、脾。虽然MSCs分布于全肺,但有研究表明右肺MSCs的数量多于左肺,也有研究表明左肺MSCs的数量多于右肺。
MSC注射后1小时,50-60%的MSC留在肺内。3小时后降至30%,维持96小时。在肺损伤的情况下,MSc在肺中的滞留增加,甚至高达83%。虽然外周静脉MSCs大多滞留在肺部并被清除,但MSCs可被肺部局部微环境激活,分泌大量抗炎因子TSG-6,有利于减轻炎症,减少心肌梗死缺血面积。
失代偿期肝硬化患者自体骨髓间充质干细胞体外扩增后,外周静脉输注111In-oxine(放射性示踪元素)标记的间充质干细胞。在不同时间点检测标记的MSCs。结果显示,随着时间的延长,肺内滞留的MSCs数量逐渐减少,而肝、脾内的MSCs数量逐渐增多,脾内积聚的细胞数量多于肝内(见下图)
▲输注MSC后肺脾肝细胞数对比
实验证明,外周静脉MSCs可向四肢骨髓迁移,但经血管扩张剂治疗后,向骨髓迁移的MSCs数量增加了50%。骨髓间充质干细胞向骨髓迁移的最长时间为76天。然而,体外培养12代以上的MSCs以及老年供者来源的MSCs向骨髓的迁移能力明显下降;骨髓辐射损伤后,向损伤骨髓迁移的MSCs数量增加。静脉注射的MSCs也能向脊髓内迁移,为周围静脉MSCs治疗脊髓损伤提供了实验依据。
不同途径比较
compare
建立骨关节炎(OA)和关节炎(arthritis)小鼠模型,给予尾静脉注射人脂肪源性MSc(adipose-derived stem cells),10天后小鼠体内尚未检测到人脂肪源性MSc;但给予关节内注射人脂肪源性MSc,10天后仍存在这一数据表明,全身静脉输注MSC在体内的注射速度比局部注射快。
颈外动脉注射MSCs后10d,大脑皮质仍可见MSCs,通过血脑屏障的MSCs可向对侧脑迁移,但脑内未见外周静脉MSCs。
主动趋化迁移
Chemotactic migration
MSc具有很强的穿透血管的能力,这种能力不受血管通透性的影响,这在动物实验中得到了很好的证明。如建立小鼠皮肤炎症模型,给予MSC静脉注射,观察到约47.8%的MSC在2小时后通过血管壁进入肌肉组织。
▲MSC穿透血管的示意图
结语
epilogue
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