人羊膜上皮細胞改善缺血再灌注損傷的研究進展

李長春 劉敏 張強 尹熙惠 洪蘭 方成虎

(1延邊大學附屬醫院,吉林 延吉 133000;2上海市虹口區江灣醫院(上海健康醫學院附屬第一康復醫院);3延邊大學醫學院生理學與病理生理學教研室)

缺血-再灌注損傷(IRI)是近年來臨床醫生所面臨的一個比較棘手的問題。IRI引起的組織損傷分為缺血損傷和再灌注損傷兩部分。如冠狀動脈硬化導致的心肌梗死、器官移植、肢體損傷、創傷性休克、腦卒中等都可能引起組織缺血損傷和再灌注損傷。重度IRI引起的細胞損傷可導致細胞凋亡、自噬和壞死〔1～3〕;中度IRI可能通過自噬引起細胞功能障礙,如果損傷嚴重,可通過凋亡或壞死途徑誘導細胞死亡〔4〕;輕度IRI可能激活細胞生存程序,以控制活性氧(ROS)的產生和細胞損傷〔5〕。因此,IRI程度取決于整個組織損傷的嚴重程度〔6〕。在缺血性疾病搶救和治療過程中發現,缺血和低氧可引起組織細胞壞死和凋亡,并伴有細胞因子、趨化因子和ROS的釋放,這些信號啟動炎癥細胞如中性粒細胞和單核細胞的浸潤,導致炎癥增強和進一步細胞損傷和破壞〔7〕。此外,黏附白細胞介導的內皮損傷和微血管堵塞導致管周毛細血管丟失,從而加重缺血〔8〕。缺血狀態下還可誘導無氧代謝,導致三磷酸腺苷(ATP)產生水平降低,離子交換通道失效從而導致細胞腫脹和細胞質中的酶活性受損;再灌注狀態下線粒體損傷和電解質失衡從3個主要系統促進氧化應激:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶系統、一氧化氮合酶系統和黃嘌呤氧化酶系統。ROS保留誘導細胞損傷,通過自噬、有絲分裂、壞死和凋亡4種途徑導致細胞死亡。因此,恢復缺血組織血流量后的臨床結果并不理想〔9〕。由于其多因素的病理生理機制一旦建立,就沒有有效的藥理學方法來阻止IRI的發展或逆轉組織損傷〔10〕。因此,臨床上迫切需要有效的治療方法解決相關問題。研究表明,以干細胞為基礎的療法有可能減輕許多嚴重疾病的負擔,該法主要依賴于干細胞的兩種特性:向3種胚層的分化能力(多能性)及免疫調節功能〔11〕。多能性允許干細胞分化成所需類型的細胞,以達到細胞替代的目的;免疫調節特性可用于控制免疫介導的炎癥和組織排斥反應〔12〕。傳統上,多能性被認為是胚胎干細胞的特性,而免疫調節被認為是來自成體組織的間充質干細胞的特性。多項研究表明,某些圍生期細胞代表了一類新的干細胞,在體外和體內都具有多能性和免疫調節作用,即人羊膜上皮細胞(hAECs)。hAECs來源于羊膜上皮層,是一種具有類似于干細胞分化能力和成熟干細胞免疫調節特性的細胞,由于其多能性、低突變頻率、免疫原性低,致瘤性低,來源豐富,無倫理風險,在再生醫學中受到廣泛關注〔13〕,且該細胞在許多疾病治療中取得了良好的效果,本文對hAECs在治療腎、肝臟和腦IRI方面的作用及機制進行綜述。

1 hAECs治療腎IRI

急性腎損傷(AKI)是由缺血引起的一種常見的臨床事件,其發病率和死亡率都很高,也可發展為慢性腎臟疾病〔14〕。目前治療AKI主要方法還是腎臟替代治療和腎移植,而IRI又是腎移植的重要危險因素。在腎IRI過程中,會發生一系列事件,如隨著腎小管上皮細胞的凋亡和壞死,ROS代謝產物的蓄積,鈣超載,炎癥介質和能量代謝紊亂等,從而導致腎功能障礙,引起代謝異?！?5〕。研究發現,干細胞療法在多種腎臟疾病中具有腎保護作用,但尚未檢測到干細胞可分化足夠數量的細胞來重建腎組織器官〔16〕。Wang等〔17〕通過神經膠質源性神經營養因子(GDNF)促進羊水干細胞(AFSCs)抑制小鼠腎小管上皮細胞凋亡的能力,建立了體外缺氧-復氧模型模擬腎臟損傷微環境。研究發現,經GDNF-AFSCs處理后顯著抵消了氧化/硝化應激,GDNF-AFSCs可以促進衰老細胞凋亡,增加生長因子含量,這在腎損傷細胞治療方面具有優勢。Ren等〔18〕通過改變雙側腎蒂夾持時間來控制損傷程度,建立小鼠缺血性腎損傷模型。33 min-IRI組7 d死亡率達到90.0%,注射hAECs使7 d死亡率從90.0%降低到47.4%;注射hAECs后第1天和第2天血清肌酐水平下降;與對照組比較,注射hAECs后腎皮質和外髓質區壞死和損傷小管的比例更低。由此說明,hAECs可促進小鼠腎功能,增加IRI小鼠的生存率。

2 hAECs治療腦IRI

顱腦IRI指的是再灌注后神經功能障礙加重〔19〕,包括抗氧化治療在內的大多數治療方法被證明是無效的〔20〕,此類損傷與炎癥反應程度有密切關系〔21〕。因此,如何控制炎癥反應在腦IRI的進展是本病治療的關鍵環節。研究發現,hAECs可表達羊階段特異性表面抗原(SSEA)-3、SSEA-4、八集體結合轉錄因子(Oct)-4、Nanog等干細胞標志,具有多向分化潛能〔22,23〕。hAECs可分化為神經細胞并表達與神經細胞相關的多種標志物〔24〕。Sakuragawa等〔25〕報道培養的hAECs中有超過50%的細胞表達神經元標志物,如膠原三螺旋重復蛋白(RC)1、波形蛋白、神經絲蛋白、微管相關蛋白(MAP)2激酶,有20%表達神經膠質細胞標志物,如膠質纖維酸性蛋白、環核苷酸磷酸二酯酶、髓鞘堿性蛋白和半乳糖腦苷脂。有研究證實,體外培養和誘導的hAECs以不同比例分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞〔26～28〕。Okawa等〔29〕在hAECs治療成年沙鼠腦缺血損傷時,發現hAECs移植入海馬后可遷移到海馬CA1錐體層,并轉化成神經元樣細胞和神經干細胞。Evans等〔30〕報道,將hAECs移植到腦缺血小鼠模型后,腦炎癥、腦梗死發展和功能缺陷明顯減輕和緩解;hAECs可通過趨化因子受體4依賴機制向缺血腦組織遷移,早期注射hAECs可有效控制絨猴腦缺血后梗死發展。此外,研究表明磷酸肌醇3-激酶和絲氨酸/蘇氨酸激酶信號通路是介導細胞存活的重要途徑。如Ding等〔31〕通過川芎嗪治療可激活蘇氨酸激酶通路,促進氧葡萄糖剝奪后hAECs中一氧化氮生成,而川芎嗪對正常hAECs中磷酸肌醇3-激酶和絲氨酸/蘇氨酸激酶通路和一氧化碳生成無顯著影響。由此表明,川芎嗪在腦IRI損傷中的作用很可能是通過激活磷酸肌醇3-激酶和絲氨酸/蘇氨酸激酶通路,從而激活內皮型一氧化碳合酶/一氧化碳信號通路增加一氧化氮的產生來實現的。由此可見川芎嗪作為激活物使得hAECs在腦IRI中發揮保護細胞作用。

3 hAECs對肝臟IRI治療的作用

IRI是肝切除、肝移植等手術過程中發生肝損傷的重要原因〔32〕。當肝臟恢復血供,容易進一步加重缺血造成的損傷〔33〕。內皮細胞和枯否細胞腫脹〔34〕、血管收縮〔35〕、白細胞浸潤〔36〕和竇內血小板聚集是IRI的特征〔37〕?？莘窦毎椭行粤＜毎募せ顚е卵装Y細胞因子〔38〕和自由基〔39〕釋放,進一步加重肝臟損傷。腫瘤壞死因子和白細胞介素是參與肝臟IRI最常見的強效細胞因子〔40～42〕。王新黨等〔43〕在大鼠IRI肝模型(干細胞移植組、模型組、正常對照組)建立2 w后進行hAECs移植,發現干細胞移植組門冬氨酸轉移酶、丙氨酸轉移酶和丙二醛表達量較模型組下降,但丙二醛仍較正常對照組高。以上結果說明了干細胞移植組大鼠肝功能在hAECs 移植后明顯改善,脂質過氧化反應程度減輕,由此證明了hAECs移植可促進修復肝臟IRI。

綜上,hAECs在IRI的作用及相關機制有些證據還停留在臨床前實驗階段,但為今后臨床治療過程提供了新的思路,例如該細胞在治療心肌IRI治療中還無具體實驗結果,但該細胞在治療心肌梗死、預防心室重構等方面已有明確的作用。推測hAECs在治療心肌IRI可能也會有積極作用,但仍需驗證。