间充质干细胞的免疫调节特性及其应用研究进展*

杨学义,马西亚,周珍辉,向双云

(1.洛阳师范学院生命科学系,河南洛阳 471022;2.北京农业职业学院畜牧兽医系,北京 102442)

间充质干细胞的免疫调节特性及其应用研究进展*

杨学义1,马西亚1,周珍辉2,向双云2

(1.洛阳师范学院生命科学系,河南洛阳 471022;2.北京农业职业学院畜牧兽医系,北京 102442)

间充质干细胞(MSCs)是一种具有自我复制和多向分化潜能的多能干细胞,具有低免疫原性和免疫抑制作用,并能优先归巢于损伤组织,促进组织修复。体内外研究显示MSCs可影响T细胞、B细胞、自然杀伤细胞、抗原提呈细胞等免疫细胞功能,减轻器官移植后免疫排斥,有望在移植免疫领域得到广泛应用。论文概述了间充质干细胞的生物学特性,免疫抑制作用及其机制的研究进展,并对间充质干细胞临床应用效果和安全性进行分析比较。指出了未来的研究方向和应该注意的问题,为该领域的深入研究提供理论参考。

间充质干细胞;免疫抑制;自身免疫性疾病

间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一群来源于胚胎中胚层的具有自我复制和多向分化潜能的多能干细胞。因其易于取材,来源广泛,体外扩增培养简单迅速及其可塑性,使MSCs在干细胞基础研究和临床应用研究中倍受关注。MSCs最初是从骨髓中分离出来的,但后续的系列研究表明脂肪组织、牙髓、胎盘、羊水和胎肺、胎血等胎儿组织以及脐带血中分离得到相似的细胞群,已经成为MSCs的重要来源[1]。MSCs的分化潜能也已经被众多研究结果证明,它不仅具有分化为软骨细胞、腱细胞和肌细胞等其他多种中胚层细胞系的能力,而且在特定培养条件下MSCs表现出与胚胎干细胞相似的特性[2],这更加拓展了MSCs在临床干细胞治疗上的应用前景。近年来,大量研究证明MSCs不仅具有弱免疫原性和免疫调节能力,而且这种免疫调节能力在外周免疫、移植耐受、自身免疫、肿瘤逃逸和母-胎耐受中发挥调节功能。

1 MSCs的免疫原性

一系列研究表明MSCs具有低免疫原性,这是MSCs具有免疫抑制作用的重要因素之一[3]。MSCs低水平表达人类主要组织相溶性抗原(MHC)Ⅰ类分子,但不表达MHCⅡ类分子,更重要的是,MSCs也不表达B7-1、B7-2、C40L等共刺激分子,而且MSCs的这种表达特征不受诱导分化的影响[3],有研究者认为这可能与在体外诱导分化不完全有关[4]。体外研究发现MSCs不能诱发异基因淋巴细胞的增殖反应[5],提示其没有免疫原性,当MSCs诱导分化为脂肪细胞、成骨细胞和软骨细胞后其免疫原性仍然较低[6]。也有研究表明,MSCs具有APCs的作用,在适当条件下可激活免疫反应[7,8]。MSCs能溶解抗原,并且用IFNγ刺激后,能诱导T细胞对抗原的记忆性反应[7]。Stagg等报道,用IFNγ刺激后的MSCs可诱导主要的卵清蛋白(OVA)特异性转基因 T细胞的抗原特异性反应[8]。最近一项研究表明,非免疫抑制性的小鼠受体拒绝皮下异基因性MSCs植入。从被植入异基因MSCs的小鼠体内分离得到的脾细胞在体外对异基因MSCs表现出明显的IFNγ反应[9]。对人MSCs的异种移植研究表明,MSCs在本质上并不是免疫豁免的。在大鼠心肌组织冠状动脉内注射成人MSCs,与主要巨噬细胞的排斥性和明显浸润相关,而在免疫功能不全的大鼠体内却可以持久地植入成人MSCs[10]。这些研究支持这样一种观点,异基因MSCs可植入免疫应答减弱或无免疫反应的宿主体内以及免疫豁免位点,但在免疫功能健全的宿主体内却可诱发免疫反应。尽管对MSCs的免疫原性需要进一步的研究,但在临床试验时要认真考虑MSCs的排斥性以及它所带来的临床后果。另外,MSCs只是暂时性的抑制免疫系统,从而降低注射、恶性转化或移植物抗肿瘤抑制效应的风险,在这种情况下,异基因MSCs的排斥是有利的。

2 MSCs的免疫调节功能

一系列研究表明MSCs具有免疫调节功能,并且可能在外周耐受、移植耐受、自身免疫、肿瘤免疫逃逸以及胎儿-母体耐受的维持中作为免疫调节者起着特殊的作用,而且MSCs的这一特性在血液系统疾病,心肌梗死等疾病的移植治疗中已得到广泛证明[11]。

近年来体内外实验研究表明MSCs抑制 T淋巴细胞的功能,而且抑制作用不受免疫限制[12]。虽然目前对MSCs识别并影响 T淋巴细胞功能的机制还不清楚,但许多研究表明,在MSCs与 T淋巴细胞相互作用的过程中,细胞间接触、可溶性因子介导及致炎症因子诱导的作用均十分必要。目前,已经发现参与MSCs免疫抑制过程的相关因子包括TGF-β、肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor,HGF)、前列腺素 E2(prostaglandin E2,PGE2)、吲哚胺2,3-二氧化酶(indoleamine 2,3-dioxygenase,IDO)、血红素加氧酶1(heme oxygenase-1,HO-1)、诱导型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase.iNOS)及其产物NO(nitric oxide),Han领导的课题组[13]最新研究人脐带间充质干细胞(hUCMSCs)的免疫抑制机制时发现,在上述可溶性因子中以PGE2的作用最为重要,其他几种因子作用并不明显。他们发现致炎因子IFN-γ和IL-1β能显著地刺激hUC-MSCs合成分泌PGE2,PGE2浓度的增加能促进hUC-MSCs对T淋巴细胞增殖能力的抑制作用,而且hUC-MSCs的免疫抑制作用与T淋巴细胞的凋亡无关。这一实验结果与以前在小鼠、人类和狒狒BM-MSCs的研究结果不一致,研究者分析认为这种差异可能是细胞来源和分离方法不同导致的。但笔者认为应当考虑也许是胎儿时期的状态导致hUC-MSCs特异性表达PGE2的受体,从而导致hUC-MSCs依赖PGE2调节淋巴细胞免疫功能的特殊机制。

MSCs对DC分化、成熟和功能的干扰已经得到证实。添加MSCs可抑制单核细胞和CD34+祖细胞向CD1α+-DCs的分化,并且使它们朝着具有巨噬细胞特性的细胞分化。MSCs存在时形成的DCs在它们对成熟信号做出反应时受到损害,并且CD83表达缺失、H LA-DR和共刺激分子的合成增加[14-16]。与这些发现相一致,MSCs存在时形成的未成熟的DCs诱导T细胞活性的能力受到强烈抑制。另外,在MSCs/单核细胞培养中还观察到细胞因子产物改变,如致炎性细胞因子肿瘤坏死因子(TNF)-α、干扰素(IFN)-γ和白介素(IL)-12合成降低以及抗炎细胞因子IL-10的合成增加[12,14]。总之,这些结果表明MSCs抑制树突细胞的分化,进而形成具有抑制效应或者抑制表型的未成熟DCs。

T ranswell试验研究表明MSCs对DC分化的抑制作用受可溶性因子的调节[15]。MSCs可以产生IL-6和M-CSF两种因子,尽管阻断实验表明这些因子不能单独调节MSCs对DC分化的抑制效应,但它们可能有助于这一抑制作用。另外,PGE2可能是一个令人感兴趣的候选分子。在MSCs存在下培养DCs时,PGE2合成受到抑制,而TNF-α和IFN-γ的分泌得到恢复[17]。与MSCs一起培养时,DCs产生的IL-10增加,这也可能有助于MSCs的抑制效应。中和IL-10的抗体确实能够恢复T细胞的活性[16],尽管不能完全恢复。MSCs除了能直接抑制T细胞增殖外,通过对可调节抗原递呈细胞(APCs)的诱导,可能是MSCs间接抑制T细胞增殖的一个关键机制。

也有大量实验研究显示,MSCs可抑制B细胞和天然杀伤(NK)细胞的增殖和分泌能力,从而抑制这两种细胞引发的免疫反应,但目前对其机制没有统一的认识,与T细胞及DCs之间的作用关系也有待进一步研究。总之,很多研究有力证明,在体外MSCs可调节各种免疫细胞的功能,尤其是参与 T细胞增殖和DC分化的抑制反应。MSCs免疫抑制效应的发生机制仍然不清楚,而且已经看到几种不同甚至相反的研究结果。这些体外的观察结果在体内的生物学相关性也不清楚。

已在多种动物模型中检测到MSCs的免疫抑制效应,这种抑制效应与同种异体反应性免疫(器官和干细胞移植)、自身免疫或肿瘤免疫有关。一项早期的体内研究表明,来自狒狒骨髓的异基因MSCs全身性灌入实验动物时,可将异基因皮肤移植的存活时间延长到11 d,而与此相比,在没有接受MSCs的实验动物中仅存活7 d[18]。另外,最近的研究表明,在小鼠异基因BM移植实验模型中,灌入来源于同基因宿主的MSCs可降低异基因干细胞移植时的排斥反应[19],但目前还没有弄清这些观察结果中存在的免疫学机制。

MSCs在体内免疫调节效应的机制是一个至关重要而又未解决的问题。从接受移植的受体骨髓中回收MSCs还很困难。因此,只能假设MSCs归巢于其他调节免疫抑制的组织或器官中。最近动物研究的观察结果与这个假设一致,这些研究表明,MSCs迁移至淋巴器官,且植入组织损伤或肿瘤生长的位点[20]。几项研究表明,全身用药后,MSCs非特异性地滞留在各种组织(主要是肺)的毛细血管床中。令人感兴趣的是,一项对小鼠的研究表明,先体外后体内扩增后的MSCs可明显降低它们的归巢和植入能力[21]。

MSCs预防或逆转GVHD的能力可能是通过分泌可溶性因子作用于同种异体反应 T细胞或者是与这种细胞直接的进行细胞间的接触,也可能是通过抑制DC的功能。另外,MSCs可能通过分泌可溶性因子、转分化或细胞融合来促进受伤组织的愈合[22]。

3 MSCs临床应用中的安全性问题

有关MSCs在体内的存活情况我们知之甚少,并且目前还没有证明移植后MSCs是否仍然存在的临床研究报道。尽管到目前为止有少数几项研究对输入MSCs的安全性进行了证实,但是可能是由于仅有少数的MSCs存活,没有引发负面效应。因此,MSCs对全身免疫抑制的潜力、外周组织的形成、恶性转化以及免疫原性的忧虑仍然存在,要解决这些问题需要更进一步的对照研究。

3.1 MSCs引发的全身性免疫抑制

目前存在的免疫抑制药物的缺陷是它们不能区分病理性免疫反应和保护性免疫反应,因此,全身性的免疫抑制剂也能抑制宿主对由细菌、真菌和病毒造成的感染的免疫反应。这在接受异基因干细胞移植或实质器官移植受体中尤其重要,并且对于具有自身免疫疾病的病人来说也是极其重要的,这是因为这些病人的免疫系统已经削弱。因此,认真检测MSCs诱导的免疫抑制效应,并与目前临床上使用的免疫抑制药剂所引起的效应作对比,具有重要意义。研究表明,MSCs归巢于损伤位点,因此MSCs可能提供特定位点上的局部免疫抑制。这可能是诱导器官或组织特异性的一个潜在机制。相反,最近的一项动物研究表明,不论是局部或全身性灌入MSCs都会全身性地抑制宿主的抗肿瘤免疫反应,从而有利于异基因肿瘤的形成。MSCs的免疫抑制效应没有抗原特异性,且与MHC的表达无关,据报道MHC表达与MSCs抑制效应相似:效应细胞是自身的、异基因的或异种的。因此,MSCs的输入可能提供非特异性全身免疫抑制。

3.2 MSCs在修复部位的分化转归

MSCs具有分化为多种间充质谱系的能力,因此认为对于组织修复,它们是非常值得研究的。据报道,Horwitz等已将MSCs用与治疗患有成骨不全(OI)病人的骨修复[23]。假设,MSCs朝何种特定组织分化主要受组织特异性微环境诱导,那么这可能是预防向其他间充质组织横向分化的一种机制。然而,最近在接受局部MSCs治疗的小鼠心肌梗死部位观察到钙化现象,提示MSCs在移植部位与各种细胞因子之间的关系是关系到MSCs能否长期存活并发挥作用的关键[24],鉴于现在缺少可利用的临床数据,因此MSCs治疗后外周组织形成仍然存在重要的临床安全问题。

3.3 MSCs的恶性转化

由于将MSCs先体外后体内扩增的要求相对简单,且没有丧失的它们的分化潜能,MSCs在临床应用上是一个很有前景的工具,但培养扩增可能会(消极地)改变它们在体内的功能性特征。人MSCs扩增后没有出现无限增殖化或转化,但最近的研究表明,应激性条件下长时间先体外后体内培养时,来源于脂肪组织的MSCs出现自发性转化[25]。在体外培养条件下,小鼠细胞更容易出现染色体畸变。而且,小鼠MSCs的生长特征不同于人的MSCs,前者的生长停滞时期明显延长。这个时期后的指数生长可能是由于具有潜在生长有利条件的转化细胞的增殖。有关小鼠实验的新证据表明,肿瘤可能是由于间充质干细胞自发性突变形成的[26]。近来的研究结果与这些观察结果相一致,甚至短期的培养就足以引起小鼠MSCs向具有自身生长和骨肉瘤生物学特征的细胞群转化[27]形成的。尽管在病人体内还没有观察到转化和肿瘤形成,但这些观察结果表明,我们需要对扩增MSCs的基因稳定性进行进一步研究,在处理以前我们应该先测试扩增MSCs正常核型的出现率。

4 结语

最近有关MSCs免疫抑制特性的一系列研究数据为治疗免疫调节紊乱患者带来了很大的希望。尽管对MSCs在体内的生物学特征了解相当少,但它们已经被引入临床应用。预试性的临床结果令人受到鼓舞,随机研究正在进行中。然而,不要只注意到MSCs潜在的治疗作用,这是很重要的,并且在这些细胞假定的治疗前景能得到实现以前还有许多问题需要解决。目前,在培养扩增条件下,MSCs具有广泛的特征,而在非控制条件下有关它们的生物学特性却知之甚少。MSCs的培养扩增可能会改变它们的功能性生物学特性,并且可能会发生包括分子转化积累的改变。此外,由于分离方法以及培养条件的不同,将会把具有不同有时甚至相冲突特征的多个细胞群都描述为“MSCs”。很明显这些都需要标准化,并且尽管已经检测出几种用于预期识别和分离人MSCs的标志物,但还没有一个的可普遍使用的标志物。

未来研究的方向包括:(1)将应用于动物和临床研究的MSCs的分离和培养方法的标准化和有效化,以便于比较在不同位点形成的细胞产物;(2)研究细胞表面特异标志物的识别,以便于仔细研究MSC细胞群的层次结构,有利于均一细胞群的形成;(3)进行旨在阐明MSCs免疫抑制效应机制的动物研究,以优化MSCs潜在的治疗作用;(4)跟踪研究检测MSCs体内存活和归巢;(5)进行旨在更进一步评价其安全性和效用性的多中心随机临床试验。最后,为了更进一步研究MSCs的局部作用,该作用可能能解释它们的生物学活性,MSCs在病人体内的跟踪将允许使用直接的诊断干扰。随着对这一令人着迷的细胞群的更为深入的了解,也许会发现一种新的调节免疫反应的治疗策略来治疗各种免疫调节疾病。

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Progress on Immunodulatory Properties Stem Cells and Application of Mesenchymal

YANG Xue-yi1,MA Xi-ya1,ZHOU Zhen-hui2,XIANG Shuang-yun2

(1.Department of Li fe Science,Luoyang Normal University,Luoyang,Henan,471022,China;2.Departmentof Animal Husbandry and Veterinary Medicine,Beijing Agricultural Vocation College,Beijing,102442,China)

Mesenchymal stem cells(MSCs)are mainly derived from bone marrow,which have potential capability of self-renewal and multi-differentiation.Recent researches found thatMSCs have low immunogenicity and immuomodulatory properties and can affect immue cells,such as T cells,B cells,natural killer cells,antigen presenting cells and so on,by which alleviating the immune resistance after organ transplantation.The present paper outlined the progress on the biological characteristic,immunosuppression function and the involved mechanism of mesenchymal stem cell.Both of the clinical effect and the security of mesenchymal stem cells were also discussed.The research direction and attentions involved with mesenchymal stem cells were pointed out,which will be benefited to the further research in the future.

mesenchymal stem cell;immunosuppression;autoimmune disease

Q744.14

A

1007-5038(2011)07-0089-05

2010-12-31

河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010B180019);洛阳师范学院应用科学与技术研究基金项目(2009-YYJS-02);河南省科技攻关项目(102102110156)

杨学义(1968-),男,湖南武冈人,副教授,博士,主要从事干细胞生物学研究。