武汉大学学报(医学版)   2017, Vol. 38Issue (6): 866-869, 875   DOI: 10.14188/j.1671-8852.2017.06.002.
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引用本文 

张秋艳, 叶啟发, 王彦峰. 干细胞治疗肝脏疾病的研究进展[J]. 武汉大学学报(医学版), 2017, 38(6): 866-869, 875. DOI: 10.14188/j.1671-8852.2017.06.002.
ZHANG Qiuyan, YE Qifa, WANG Yanfeng. Research Progress of Stem Cell Therapy for Liver Diseases[J]. Medical Journal of Wuhan University, 2017, 38(6): 866-869, 875. DOI: 10.14188/j.1671-8852.2017.06.002.

作者简介

张秋艳,女,1991-,医学硕士,主要从事腹部器官移植及干细胞治疗方面的研究,E-mail:861488062@qq.com

通讯作者

叶啟发,男,1954-,教授,主要从事肝胆外科及器官移植方面的研究,E-mail:yqf_china@163.com

文章历史

收稿日期:2017-06-06
干细胞治疗肝脏疾病的研究进展
张秋艳 1, 叶啟发 1,2, 王彦峰 1     
1. 武汉大学中南医院/武汉大学肝胆疾病研究院/武汉大学移植医学中心/移植医学技术湖北省重点实验室 湖北 武汉 430071;
2. 中南大学湘雅三医院/卫生部移植医学工程技术研究中心 湖南 长沙 410013
[摘要] 肝移植的巨大需求与可用供肝数量不匹配是长期存在的矛盾,急性或慢性肝功能衰竭的患者各种替代治疗不断派生。对干细胞生物学及肝脏修复过程的研究进展,使得干细胞成为再生医学中治疗肝脏疾病的新热点。目前研究中,肝再生的细胞来源已经囊括多种类型细胞,如成人肝干细胞和胎肝干细胞、肝内干细胞群、成人骨髓来源的造血干细胞、内皮祖细胞、间充质干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞。这些高度不同的细胞,可以作为细胞悬液使用,或者与生物材料组合形成可植入的肝组织构建体,为肝再生的研究带来了新的希望。然而,在干细胞全面广泛地应用于临床前,细胞治疗肝脏疾病仍有很多关键障碍需要克服。本文总结了以干细胞为基础治疗肝脏疾病领域的最新技术,以及现有的挑战,提出了将来研究的新方向。
关键词干细胞    肝再生    肝硬化    急性肝损伤    
Research Progress of Stem Cell Therapy for Liver Diseases
ZHANG Qiuyan1, YE Qifa1,2, WANG Yanfeng1     
1. Zhongnan Hospital of Wuhan University, Institute of Hepatobiliary Diseases of Wuhan University, Transplant Center of Wuhan University, & Hubei Key Laboratory of Medical Technology on Transplantation, Wuhan 430071, China;
2. The 3rd Xiangya Hospital of Central South University, & Research Center of National Health Ministry on Transplantation Medicine Engineering and Technology, Changsha 410013, China
[Abstract] There is a big contradiction between the huge demand for liver transplantation and the number of available donors, more alternative strategies are needed for treating acute or chronic liver failure. In recent years, a great deal of researches on stem cell biology and liver repair has made stem cell a new direction in the use of cell therapy for liver disease in regenerative medicine. The cellular sources of liver regeneration have included various types of cells, such as adult liver stem cells and fetal liver stem cells, intrahepatic stem cell populations, adult bone marrow derived hematopoietic stem cells, endothelial progenitor cells, mesenchymal stem cells, embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells. These highly different cells can be used as cell suspensions or, in combination with biomaterials as implantable liver tissue constructs that provide great hope for liver regeneration research. However, there are still many key barriers to overcome before stem cell therapy being widely used in clinical practice. In this review, we summarize the latest techniques for stem cell-based treatment of liver disease, as well as the existing challenges, and propose new directions for future research.
Key words: Stem Cells    Liver Regeneration    Liver Cirrhosis    Acute Liver Injury    

肝脏在受损时其自身修复能力很强,然而,在损伤超过极限时,其再生能力不能代偿生理需求,可能进展为终末期肝病,以及随之而来的肝功能衰竭。肝移植是目前治疗终末期肝病,包括急性肝功能衰竭和肝硬化的唯一有效治疗方法,然而,供肝短缺、等候者高死亡率、移植术后高并发症发生率和高死亡率、器官获取与移植的高成本以及长期的药物副作用等诸多因素严重限制了其应用[1]。肝细胞移植被认为是肝移植的替代治疗方法,因为成熟肝细胞传统上被认为是肝脏修复的主力军,是功能最强大的细胞类型,事实上,许多临床前和临床研究已经采用这种方法来治疗代谢性和终末期肝脏疾病[2]。然而,肝细胞移植的广泛应用受到很多限制,如细胞培养过程对肝细胞活力、功能和移植后存活率的影响[3],以及肝细胞对低温冻存后复苏时引发细胞破裂、坏死和凋亡的易感性[4],因此,需要新的替代疗法来缓和目前器官匮乏和细胞移植面临的困境。

1 成人肝干细胞/祖细胞

当肝细胞增殖不足以修复肝脏的严重损伤时,双能肝内干细胞(stem cells,SC)群即人类的肝脏前体细胞(resident liver progenitor cells,LPC)或啮齿类的卵圆细胞(oval cells,OCs)便会出现并被激活、扩增,积极促进肝细胞和胆管上皮细胞再生[5]

OCs是一群细小的圆形增殖细胞,核质比较大,主要贮存在肝内胆管分支末端,即Hering管,与Disse间隙一起被认为是可能的肝SC池。OC/LPC可以表达胆道和肝细胞的表面标志物以及造血祖细胞的表面抗原[6]

关于在人类和小鼠肝损伤模型中OC/LPC的作用机制,目前有研究表明。在OC/LPC介导肝再生期间,OCs周围会形成“诱导性”的细胞池,引发胆管炎性反应,细胞池主要由巨噬细胞和成纤维细胞组成,重新合成细胞外基质,以促进OC/LPC的扩增以及最终胆管细胞和肝细胞的再生[7]。最新研究通过人类LPCs向肝细胞或胆管细胞增殖分化的过程,发现了Wnt和Notch信号传导通路在肝细胞命运中的作用,为未来靶向治疗提供了新的方向[8]

内源性SC在肝实质严重损伤时被识别、被介导增殖、分化的相关机制研究,促进了体内外肝细胞成熟实验在临床实践中的应用。组织学上,可以观察到再生结节的产生,这些再生结节主要由小簇的肝细胞和少量小导管组成,其中的肝细胞来源于小胆管和Hering管中的SCs。在最近的一项研究中,描述了干/祖细胞增殖分化为完整的成熟的肝实质的过程,使用了各种神经和免疫组织化学标记物,包括上皮细胞黏附分子(epithelial cell adhesion molecule,EpCAM),K19,CD34,谷氨酰胺合成酶和Ki-67 [9]

有趣的是,被认为是肝脏间质细胞的肝星状细胞(hepatic stellate cells,HSTCs)[10]最近也被证明是肝脏祖细胞的来源之一,实际上,存在类视黄醇的肝星状细胞的孤立群体能够通过分化促进肝再生。HSTCs可以促进产生肝实质和胆管细胞的生成,改善GUNN大鼠的葡萄糖苷酸化缺陷,从而提供功能性的肝细胞[11]

2 肝外干细胞/祖细胞

除内源性肝脏SC外,已有研究表明一些外源性干细胞/祖细胞群体也有助于肝脏损伤的修复。

2.1 胚胎干细胞

人类胚胎干细胞(human embryonic SCs,ESCs)源自胚泡期胚胎内细胞群的多能细胞,具有无限自我复制的能力,在适当分化的同时保持向人体所有细胞分化的潜能[12]。由于这种可塑性和自我复制的潜质,ESCs再生疗法已经被提出用于替代受损或病变的组织。

ESCs能够在体外有效分化成肝细胞样细胞(hepatocyte-like cells,HLCs),产生具有成熟肝细胞特性的细胞[13]。ESC来源的肝细胞样细胞有助于小鼠模型中受损肝组织的恢复,其作用不仅是通过细胞替代,而且还通过产生营养因子促进内源性肝脏再生[14]。体外ESC来源的肝细胞,具有成熟肝细胞的典型形态,表达肝细胞特异性基因,移植后可定植于肝脏,并挽救肝损伤小鼠的生命。

ESCs为研究肝细胞分化的分子机制提供了有价值的工具,并成为细胞治疗的基础。然而,尽管取得了显著的研究进展,ESC衍生的“肝细胞样”细胞通常不能充分发挥“真实”肝细胞的功能。此外,细胞移植后的免疫排斥风险以及伦理和法律问题,限制了其作为细胞替代疗法的使用[15]

2.2 诱导多能干细胞

诱导多能干细胞(induced pluripotent SCs,iPSCs)是利用逆转录病毒载体,通过体外躯体细胞基因重组,瞬时强制表达OCT4和SOX2等转录因子,从而成为胚胎样干细胞[16]

iPSCs具有独特的多能性特征,使其成为细胞和基因治疗的非凡工具,例如:① 体外无限自我复制能力,能够在细胞培养传代时维持特性;② 可用于定向分化为任何细胞类型。除了其再生潜力之外,iPSCs还为体外疾病建模和药物筛选提供了一个新的平台[11]

已经表明,iPSC可以被有效诱导分化成HLCs[17],而iPSC衍生的HLCs的移植可以逆转致死性暴发性肝衰竭,促进肝脏再生。在急性肝衰竭模型中,将iPSCs从人牙髓来源的成纤维细胞(DP-iPSCs)重新编程为能够分化为HLCs(iPSC-HLC)的细胞,开发了可注射的、可以持续释放肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor,HGF)的羧甲基-己酰壳聚糖水凝胶(CHC),即HGF-CHC,以改善iPSC-HLC植入后效果。HGF-CHC-iPSC-HLCs的肝内移植能够通过强力的抗氧化和抗细胞凋亡作用以挽救受者肝功能,从而缩小了肝坏死区域[18]。iPSCs来源的工程化移植物,包括再细胞化的生物基质和由iPSCs产生的“肝小叶”[19],将来可能为肝移植提供“自体”器官,从而突出了其治疗肝衰竭的巨大潜力。

除了继发性肝脏疾病之外,患者体细胞组织分离的iPSCs,结合体外基因重组和细胞移植,形成的HLCs可以作为患者特异性肝细胞来源,以治疗遗传性肝脏疾病[20]

iPSCs为再生医学提供了新的希望,它们可以提供个性化的疗法,并且不需要使用胚胎组织或卵母细胞就能从体细胞产生出患者特异性细胞,可能会克服道德问题并降低排斥风险。但将其应用于临床前,我们仍需寻找最佳的编程方法,考虑畸胎瘤形成的风险,并证明iPSC治疗的长期安全性及有效性。

3 肝外成人骨髓干细胞

如上所述,肝再生主要是内源性过程,由成熟肝细胞和常规肝内SC群体驱动。骨髓是成年人最大的多能性干细胞储库,过去认为骨髓仅可产生造血细胞系。近年来的研究颠覆了这个观点,骨髓来源的SC(造血干细胞,间充质干细胞和内皮细胞)可以产生表达非造血细胞标志物的多种成体细胞类型,并有利于组织损伤后的肝脏愈合过程[21]

3.1 间充质干细胞

骨髓基质含有中胚层祖细胞子集,称为间充质干细胞(mesenchymal stromal cells,MSCs),可以在特定的体外培养条件下快速增殖为成纤维细胞样、可贴壁的多潜能细胞。MSCs最常由骨髓提取,称为BMSCs,但也可以从脐带血、骨小梁、滑膜、脂肪组织、胎盘、胎儿肺和血液中提取[22]。MSCs具有分化成中胚层起源的组织(骨、软骨和脂肪)的能力,但也能产生不相关胚胎层的细胞(如神经细胞和肝细胞)。此外,它们的免疫原性低,具有免疫调节特性,可以避免宿主免疫监视[23]。因为这些特征,MSCs对很多疾病都有治疗潜力,包括急性和慢性肝脏疾病。在啮齿动物和人类中进行的研究已经表明,在特定培养条件下提取自骨髓、脂肪、牙髓、脐带血和胎儿肺的MSCs能够在体外转分化为HLCs,并表达相关的基因,实现肝细胞特有的代谢功能[24]。BMSCs是目前报道的第一个且是形态学最稳定、最易于提取分离的MSCs,分离和扩增后的MSC富集,集落形成,具有多谱系分化能力和免疫表型。

各种研究已经阐明了MSCs在急性肝衰竭模型中的治疗作用,来自骨髓、胎盘和脂肪的MSCs在体外和体内显示出分化为肝细胞的潜力,并通过在急性肝衰动物模型中抑制肝内自然杀伤T细胞和抑制炎症信号发挥作用,改善肝脏损伤,降低死亡率[25]

研究已经反复证明了MSCs可以转化为HLCs,然而,积累的证据支持了MSCs在急性肝损伤中的治疗效果很大程度上是通过旁分泌营养和免疫调节因子来介导,而不是真正地转化为HLCs,在MSCs培养基中的可溶性因子(白细胞介素-6、血管内皮生长因子、肝细胞生长因子和胰岛素样生长因子结合蛋白)在减轻肝细胞凋亡中发挥了很大作用,不同来源的MSCs的移植可以通过旁分泌效应拯救小鼠急性肝衰竭和肝脏再灌注损伤,减少炎症反应,抑制肝细胞凋亡,并刺激内源性再生[26]

在肝硬化模型中,似乎MSCs发挥作用的机制同样主要是通过释放营养和免疫调节因子,而不是转分化成HLCs。此外,MSCs可以通过增加基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)9和13的表达来减轻肝硬化,能够降解细胞外基质,从而在损伤的肝脏中发挥直接的抗纤维化作用[27]。目前已有几项临床研究,将自体BMSCs注射到患有终末期肝病患者的外周或门静脉中,患者的肝功能和临床症状得到改善,同时手术安全,耐受性好,但长期疗效不明显。

MSCs的独特性质,包括易于提取和扩增,移植后存活率较高,具有旁分泌营养因子的功能,可以转分化为HLCs,并具有免疫调节效应,非常适合细胞疗法。实际上,与ESCs相比,MSCs不会引起伦理问题,并且可能在肿瘤发生方面更具安全性。迄今为止,临床前和临床研究证据相当可观,然而,在基于MSCs的肝脏治疗广泛应用于临床之前,仍然需要解决几个问题,首先,避免MSCs不必要的分化,一些研究组已经提出BMSCs应该在输注之前被诱导分化成HLCs[28]。其次,尽管MSCs向恶性转化的风险较低,但对其促进体内肿瘤生长的潜力的关注逐渐增加,因此,可以在应用前使用基因表达标记筛选MSC,作为安全措施[29]。另外,由于MSCs的免疫调节特性,其可通过调节多种肿瘤的炎症环境,通过抑制与肿瘤生长和细胞分裂相关的信号传导途径来发挥抗肿瘤作用[30]

4 结论

基于SC的肝再生是一个令人振奋的研究领域,在基础科学和移植领域都显示出肝脏医学的显著进步。然而,细胞治疗肝脏疾病的临床应用,从设想到治愈的现实转变,需要我们更深入地了解SC和肝脏生物学,解决上述的问题。

迄今为止,临床前和临床研究缺乏统一性,包括肝实质的损伤类型和程度,SC的来源和剂量,SC的使用时间和给药途径,以及预期疗效。此外,动物模型的积极结果并不总是被转化为成功的临床试验,因为临床试验通常缺乏治疗有效性的明确证据。因此,通过考虑目标疾病的背景和严重程度,根据不同SC的特定功能和预期的生物学作用,仔细设计临床试验,将有助于阐明针对不同肝脏疾病的最合适的SC治疗。

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