2019-04-11 16:51:50 来源:
不少临床研究或临床试验的结果显示,间充质干细胞(MSC)能治疗多种疾病,尤其是一些疑难杂症,但是疗效各有差异,甚至治疗无效的案例也属常见。面对不断积累的失败的临床治疗案例,研究者开始冷静反思:具有治疗功能的间充质干细胞为何会临床治疗无效?对于这个问题,不同的研究者有不同的思考和解释。本笔者也试图从多方面去解开这个谜团,具体参见本公众号的文章具有免疫抑制能力的MSC为何败在治疗GVHD的3期临床试验?
本文主要从间充质干细胞输入人体后的分布和代谢方面给于阐述。首先,应该意识到间充质干细胞(MSC)和化学药物具有明显的差异:包括但不限于①化学药物是死的,而MSC是有生命的;②化学药物有明确的半衰期,MSC暂时没发现;③化学药物有明确的单一靶位点,MSC通过多途径发挥作用;④化学药物在体内都是被动运输,MSC具有主动趋化迁移的功能特性;⑤化学药物的均一性非常好,MSC的均一性很差,细胞周期的步伐并不十分一致。这些差异给临床治疗带来什么样的思考?在临床研究或应用上,研究者习惯性基于化学药物的思维来对待细胞是否合适?
1,局部注射输入
局部微注射人骨髓MSC到大鼠大脑纹状体部位,72天后,依然能检测到人骨髓MSC的存在,而且MSC能迁移至胼胝体和大脑皮层[1]。大脑右侧尾状核局部注射MSC,4周后大脑多个部位均可以检测MSC的存在,而且发现MSC在大脑的迁移,偏好于沿着血管的走向[2]。但是MSC颈动脉注射后,在脑部的存活时间一般都是1-2天[3-5]。氧化铁标记的骨髓MSC颈动脉注射治疗大脑中动脉栓塞模型(MCAO)大鼠,24小时后,核磁共振成像(MRI)显示MSC能穿过血脑屏障,迁移到大脑皮层、皮质下白质层、纹状体、脑干部位,甚至观察到MSC能迁移到对侧大脑[4]。分别给大鼠颈动脉注射人骨髓MSC和大鼠骨髓MSC,发现人骨髓MSC的清除快于大鼠骨髓MSC,这说明机体清除异种属的细胞的速率更快[3]。
TNF-α和IL-1β先刺激MSC(24小时),MSC再心室内局部注射;和对照组相比,经过TNF-α和IL-1β刺激的MSC趋化迁移到心肌缺血区域的细胞数量明显增多,证明了TNF-α和IL-1β可以增强MSC的粘附能力,但是这种作用可以被VCAM-1的单克隆抗体所阻断[6]。
2,全身性注射输入
MSC腹腔注射免疫缺陷的小鼠(裸鼠和NOD/SCID小鼠)后,在体内多组织器官中存在可达120天,而MSC在免疫系统健全的异品种小鼠只能存在20多天,但是可以在同品种小鼠中存在40多天。
狒狒实验证明骨髓MSC经外周静脉输入体内后,自体MSC和异体MSC在体内的分布没有明显的差异[9]。脐血来源的MSC比骨髓MSC容易通过肺脏,而且年龄越大的供体,其骨髓MSC越容易在肺部滞留;在肺部滞留的MSC细胞数量,与MSC细胞表面表达的整合素α4和α6密切相关,表达量越高,越不容易在肺部滞留[10]。
MSC注射1小时后,50-60%的MSC滞留在肺部[13, 14],3个小时后降至30%,并维持到96小时[13]。有肺损伤同时存在时,MSC在肺部的滞留增多[8],甚至可高达83%[15]。虽然外周静脉输入的MSC大部分在肺部滞留并被清除,但是MSC可以被肺部局部的微环境所激活,分泌大量的抗炎因子TSG-6,有利于减轻炎症和减少心梗缺血区的面积[15]。
失代偿期肝硬化患者自体骨髓MSC体外扩增后,外周静脉输入用111In-oxine(放射性示踪元素)标记MSC,在不同时间点检测这些标记的MSC,结果发现随着时间的延长,肺部滞留的MSC逐渐减少,而在肝脏和脾脏逐渐增多,而且MSC在脾脏聚集的细胞数多于肝脏(见下图)[19]。
3,不同途径的比较
建立骨关节炎(osteoarthritis)和关节炎(arthritis)小鼠模型,给与尾静脉注射人脂肪MSC(脂肪干细胞),10天后在小鼠体内已经检测不到人脂肪MSC;但是给与关节腔局部注射人脂肪MSC,依然在10天后可以检测到人MSC的存在;这数据说明了全身性静脉输入MSC在体内的清除速度快于局部注射[24]。
大鼠颈外动脉注射MSC,于10天后依然可以在大脑皮质层找到MSC,而且通过血脑屏障的MSC还能迁移到对侧大脑,但是大脑中却检测不到外周静脉注射的MSC[25]。
4,MSC具有主动趋化迁移的特性
MSC有很强的穿透血管的能力,而且这种能力不受血管通透性的影响,这个在动物实验上得到很好的证明。比如建立皮肤炎症的小鼠模型,给与静脉注射MSC,观察到约47.8%的MSC在2小时后就穿过血管壁进入肌肉组织[28](MSC穿透血管的示意图)。
不同的实验,MSC在机体内的存在时间存在明显的差异。如果是外周静脉输入,MSC在机体的分布比较一致,先是汇聚在肺部,少部分MSC能通过肺部到达肝、脾、肾、胰腺等血流丰富的器官,极少部分能迁移到骨髓。
从目前的研究结果来看,不管是局部注射还是全身性注射,不管是自体MSC还是异体MSC,机体均会逐渐清除MSC,清除速度与多因素有关,包括机体免疫系统、输入途径、细胞来源的组织、细胞供体的年龄、细胞体外培养时间的长短等。这也提示单次MSC输入治疗的效果并不能持久。
由于MSC具有趋化迁移到损伤部位的特性,因此MSC在健康机体和损伤机体的分布略有差异; MSC无法识别损伤的类型(比如急性损伤或慢性损伤、出血性损伤或缺血性损伤等),如果机体存在多处损伤,那么MSC趋化到每一处损伤部位的细胞数就会减少。