间充质干细胞在骨髓造血重建中作用的研究进展

代 凯 综述，陈洁平 审校

(第三军医大学西南医院血液病中心，重庆 400038)

间充质干细胞在骨髓造血重建中作用的研究进展

代 凯 综述，陈洁平△审校

(第三军医大学西南医院血液病中心，重庆 400038)

间充质干细胞；造血干细胞；移植后造血重建

间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC)是机体内具有自我更新和多向分化潜能的非造血类干细胞，具有支持造血、免疫抑制、促进微血管形成等功能。MSC与造血干细胞(hematopoietic stem cell，HSC)共移植可促进移植后造血重建，机体造血功能恢复加快。但是MSC促进造血重建的机制仍有争议，对MSC作用机制的探讨，将有助于实现MSC在临床上的更广泛应用。辐射及HSC移植(HSC transplantation，HSCT)前预处理均可损伤骨髓造血微环境，致受者移植后造血重建延迟，造血恢复缓慢，移植后感染等发生率增加，最终可能导致移植失败[1]。加速造血重建，尽快恢复外周血象是确保移植最终成功的关键。MSC促进造血重建在动物模型中已得到证实，临床试验也证明MSC与HSC联合移植加速造血恢复应用于人体的安全性，推测MSC促进造血重建的机制是为造血细胞创造一个合适的造血微环境[2-3]。现就MSC在骨髓造血重建中作用的研究进展综述如下。

1 MSC的生物学特性及其功能

MSC属于中胚层多能干细胞，存在于人体骨髓、脂肪、牙周膜组织、新生儿脐带等组织，不同组织来源MSC具有相似但不完全相同特性，骨髓中MSC水平为丰富。体外诱导条件下，MSC可分化为骨髓基质细胞(成骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞)。MSC主要表达基质细胞表面抗原CD105、CD73、CD44、CD90、CD71、Stro-1、CD106、CD166、CD54和CD29。目前，Nestin+已成为用于识别MSC的新方法，小鼠实验中，Nestin+MSC高表达基质细胞衍生因子-1(SDF-1)、干细胞因子 (stem cell factor，SCF)、血管生成素-1(Ang-1)、细胞间黏附因子-1(ICAM-1)、血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)以及骨桥蛋白，这些因子与MSC支持造血功能密切相关[4]。

MSC能使B/T淋巴细胞分化停滞于G0/G1期，阻止单核细胞的抗原提呈作用均能诱导机体对移植的异基因HSC产生免疫耐受，增加移植HSC在受体的成活率，有助于减轻移植物抗宿主病(graft-versus-host disease，GVHD)[5]。MSC上诉生物学特性决定了其在HSCT中的优势：MSC与HSC联合移植，能显著加快移植后的造血重建过程[3]。

2 MSC促造血重建的可能机制

2.1MSC与造血细胞相互作用

2.1.1分泌黏附因子加快HSC归巢 MSC的本质作用是抑制“免疫监控”及创造一个有利于受损组织修复再生的微环境，这种效应的达成可通过细胞因子的分泌及细胞间直接接触获得[6]。MSC分泌黏附因子如ICAM-1、VCAM-1和SDF-1。Bernardo等[7]发现，CXC趋化因子受体4(CXC chemokine receptor 4,CXCR4))与其配体SDF-1结合介导HSC归巢，诱导HSC穿过血管进入骨髓；MSC也大量表达CXCR-4，SDF-1/CXCR-4同样介导MSC归巢。急性髓系白血病(acute myelocytic leukemia，AML)患者化疗和HSC移植后体内SDF-1水平始终较低，提高SDF-1水平能加速造血恢复[8]，提示人体SDF-1/CXCR-4介导的MSC与HSC归巢效应能加速造血重建。此外，MSC还能产生大量的细胞外基质分子，如纤连蛋白、层粘连蛋白、胶原蛋白等介导HSC与骨髓基质的黏附，使归巢的HSC稳定黏附于骨髓微环境。

2.1.2分泌细胞因子调控造血细胞增殖分化 HSCT预处理对细胞因子受体的损伤使机体对细胞因子反应低下，导致细胞因子相对缺乏。体外培养，MSC能分泌大量细胞因子如IL-3、IL-6、IL-7、IL-8、IL-11、IL-12、IL-14、IL-15、白血病抑制因子、巨噬细胞集落刺激因子、Flt-3配体(FL)、SCF、促血小板生成素(Thromboietin，TPO) 等可以解决机体细胞因子相对不足的问题[9]。静脉输注c-Kit+HSC后，HSC沿SCF浓度梯度迁移到骨髓，并与表达SCF的骨髓基质细胞黏附结合，以此加速HSC的归巢，开启HSC细胞周期进程。FL与HSC表面Flt-3结合同样能诱导HSC/造血祖细胞(HPC)由静止期进入增殖期。SCF、FL单独作用只有很弱的集落刺激活性，其发挥作用是与其他细胞因子协同作用的结果。Walenda等[10]发现MSC与SCF、TPO、成纤维细胞生长因子-1(FGF-1)联合应用能显著增强MSC造血支持作用。

2.1.3MSC分化为基质细胞修复HSC niche 造血细胞的生长依赖多种骨髓基质细胞组成的黏附层，体外培养缺乏基质细胞层，即使加入外源性生长因子，造血细胞也不能持续生长[11]。目前认为HSC niche有3种：成骨细胞niche、网状基质niche和血管/窦状隙内皮细胞niche，HSC定植于这3个部位，其中MSC与前2种niche密切相关[12]。骨髓MSC分化为成骨细胞，构建成骨细胞niche。成骨细胞支持CD34+细胞体外扩增：分泌粒细胞集落刺激因子(granulocyte colony-stimulating factor，G-CSF)、粒细胞巨噬细胞刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF)、IL-1、IL-6等促造血细胞增殖分化；合成具有抑制HSC分化的巨噬细胞炎症蛋白-1α(MIP-1α)，利于维持HSC干性。分化为脂肪细胞，成纤维细胞，分泌大量细胞外基质构成复杂的网架结构，参与构建HSC网状基质niche，调节定植于其中的造血细胞生理活动。

2.1.4MSC与造血细胞之间的细胞-细胞作用 MSC与归巢的HSC主要富集于骨内膜区和血管旁。CD34+HSC与骨髓MSC共培养有助于HSC增殖，Chou等[13]通过共聚焦显微镜观察到MSC通过与HSC表达的钙黏附蛋白受体直接结合。马俐君等[14]在小鼠模型中发现，MSC与脐血CD34+细胞共移植中，二者比例为10∶1，可达最佳促进造血重建作用。

2.2MSC与骨髓非造血细胞(主要是内皮细胞)相互作用 MSC能够分泌内皮细胞生长因子、FGF-1、肝细胞生长因子、胰岛素样生长因子-1、IL6、IL8等刺激内皮细胞增殖、迁移，保护内皮细胞免于凋亡。小鼠模型中，MSC早期支持内皮细胞增殖迁移，后期参与微血管形成。内皮细胞同样能分泌多种造血生长因子参与调控造血细胞活动。MSC、内皮细胞与HSC体外共培养能显著增强HSC增殖分化[15-16]。

3 MSC在血液病中的应用

MSC主要用于涉及免疫紊乱或造血微环境损伤的血液病，包括良性血液病[如再生障碍性贫血(aplastic anemia，AA)、免疫性血小板减少症(immune throm-bocytopenia，ITP)等]、恶性血液病及HSCT。动物和临床试验已证实MSC治疗AA的可行性：AA动物模型和临床患者经MSC输注治疗后外周血象恢复较快，调节性T细胞(Treg细胞)表达升高，其免疫紊乱状态可得到明显纠正[17-18]。而MSC治疗ITP的临床及实验研究仍处于探索阶段。有研究发现脐带MSC能明显抑制T、B淋巴细胞增殖扩散和血小板破坏，逆转外周血巨核细胞功能障碍，调节T细胞反应平衡，提示MSC可能用于ITP临床治疗，但是其具体作用机制及应用需进一步论证[19]。

恶性血液病治疗中MSC可能扮演二元角色：(1)MSC能诱导白血病细胞早期凋亡，使细胞周期停滞于G0/G1期，从而抑制不同来源的白血病细胞增殖。而Ning等[20]发现，MSC共移植治疗白血病后，MSC输注组患者复发率显著高于未输注组。可见MSC在抑制白血病细胞增殖的同时可能会引起HSCT后白血病复发率增高。而这种复发率的升高可能与MSC异常激活肿瘤细胞信号通路，促进肿瘤细胞生长有关[21-22]。因此，目前MSC应用于恶性血液病方面的安全性、治疗的利弊仍需进一步研究。(2)促造血重建方面，大量动物实验已经证明MSC共移植明显促进HSC植入，移植后造血恢复明显加快[23-25]。Wu等[6]对20只小鼠，其外周血CD45+脐血HSC植入率平均为28.2%(24.6%～33.1%)，而单独HSCT 10只小鼠HSC植入率仅平均为 5.3%(4.2%～6.5%) (P=0.001)；骨髓中CD45+脐血HSC植入率：共移植实验组平均为6.9%(5.9%～7.3%)，而单独移植对照组仅平均为1.7%(1.5%～2.3%)(P=0.015)。

随后的临床试验也证实了MSC在人体内的促造血重建作用，患者中性粒细胞和血小板恢复明显加快[26-27]。Wu等[28]对50例难治/复发恶性血液病患者进行人类白细胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)半合HSC与MSC共移植，结果表明接受共移植的50例患者全部拥有稳定持续造血能力，未发现MSC输注相关不良反应。50例患者恢复中性粒细胞计数大于 0.50×109/L和血小板计数大于20×109/L的中位时间分别为12 d和15 d。Wu 等[6]对20例高危白血病患者进行临床实验，其中8例接受共移植患者中性粒细胞计数 大于0.50×109/L的中位时间是12 d(8～16 d)，血小板计数大于20×109/L的中位时间是30 d(20～45 d)；而另外12例只接受HSC移植患者中性粒细胞计数 大于0.50×109/L的中位时间则长达21 d(17～43 d)，血小板计数大于20×109/L的中位时间为73 d(42～135 d)。接受共移植的患者中性粒细胞计数(P=0.003) 和血小板计数(P=0.004)恢复明显快于单独HSC移植患者，证明MSC确实能够促进患者造血重建，加快造血恢复。

4 展 望

尽管MSC在血液病治疗方面疗效肯定，特别是其加速造血重建作用已得到证实，但是MSC在人体内加速造血重建背后的真正机制仍待澄清。其他问题如MSC缺乏特异免疫标志物，只能粗略采用排除法和逆推法进行鉴定，准确性较低；MSC在HSCT中能否增加细胞的恶性转变风险，还存在疑问；MSC共移植时的最佳输注途径，输注时机和剂量等都是急需解决的问题。

综上所述，MSC在血液病如AA、ITP、恶性血液病治疗，以及HSCT中得到大量应用，并显著提高了的临床疗效，特别是其促造血重建，加快造血恢复作用在动物和临床试验中均已经明确。澄清MSC在人体内发挥造血重建作用的真正机制，可促使MSC更安全有效，更大规模应用于临床，在治疗血液系统疾病特别是造血微环境损伤的血液病中发挥重要的作用。

[1]Sokolov M,Neumann R.Lessons learned about human stem cell responses to ionizing radiation exposures:a long road still ahead of us[J].Int J Mol Sci,2013,14(8):15695-15723.

[2]Ding L,Zhu H,Yang Y,et al.Functional mesenchymal stem cells remain present in the bone marrow microenvironment of leukemia patients post allogeneic hematopoietic stem cell transplantation[J].Leuk Lymphoma,2014,55(7):1635-1644.

[3]Kim EJ,Kim N,Cho SG.The potential use of mesenchymal stem cells in hematopoietic stem cell transplantation[J].Exp Mol Med,2013,45(1):e2.

[4]Law S,Chaudhuri S.Mesenchymal stem cell and regenerative medicine:regeneration versus immunomodulatory challenges[J].Am J Stem Cells,2013,2(1):22-38.

[5]Mohammadian M,Shamsasenjan K.Mesenchymal stem cells:new aspect in cell-based regenerative therapy[J].Adv Pharm Bull,2013,3(2):433-437.

[6]Wu KH,Tsai C,Wu HP,et al.Human application of ex vivo expanded umbilical cord-derived mesenchymal stem cells:enhance hematopoiesis after cord blood transplantation [J].Cell Transplant,2013,22(11):2041-2051.

[7]Bernardo ME,Cometa AM,Locatelli F.Mesenchymal stromal cells:a novel and effective strategy for facilitating engraftment and accelerating hematopoietic recovery after transplantation?[J].Bone Marrow Transplant,2012,47(3):323-329.

[8]Fouillard L,Francois S,Bouchet S,et al.Innovative cell therapy in the treatment of serious adverse events related to both chemo-radiotherapy protocol and acute myeloid leukemia syndrome:the infusion of mesenchymal stem cells post-treatment reduces hematopoietic toxicity and promotes hematopoietic reconstitution[J].Curr Pharm Biotechnol,2013,14(9):842-848.

[9]Mohammadian M,Shamsasenjan K.Mesenchymal stem cells:new aspect in cell-based regenerative therapy[J].Adv Pharm Bull,2013,3(2):433-438.

[10]Walenda T,Bokermann G,Ventura-Ferreira MS,et al.Synergistic effects of growth factors and mesenchymal stromal cells for expansion of hematopoietic stem and progenitor cells[J].Exp Hematol,2011,39(6):617-628.

[11]Hu KX,Sun QY,Guo M,et al.The radiation protection and therapy effects of mesenchymal stem cells in mice with acute radiation injury [J].Br J Radiol,2010,83(985):52-58.

[12]Frenette PS,Pinho S,Lucas D,et al.Mesenchymal stem cell:keystone of the hematopoietic stem cell niche and a stepping-stone for regenerative medicine [J].Annu Rev Immunol,2013,31(1):285-316.

[13]Chou SH,Lin SZ,Day C H,et al.Mesenchymal stem cell insights:prospects in hematological transplantation[J].Cell Transplant,2013,22(4):711-721.

[14]马俐君,胡晓霞,周虹,等．间充质干细胞与人脐血CD 34+细胞共移植对 NOD/SCID小鼠造血重建的影响[J].中华血液学杂志,2008,29 (10):684-688.

[15]Mizer JC,Ichim TE,Alexandrescu DT,et al.Exogenous endothelial cells as accelerators of hematopoietic reconstitution[J].J Transl Med,2012,10(1):231-243.

[16]Bronckaers A,Hilkens P,Martens W,et al.Mesenchymal stem/stromal cells as a pharmacological and therapeutic approach to accelerate angiogenesis[J].Pharmacol Ther,2014,143(2):181-196.

[17]刘增慧,肖扬,蒋祖军,等.骨髓间充质干细胞上调再生障碍性贫血患者CD4+CD25+Foxp3+调节性T细胞的临床研究[J].实用医学杂志,2011,27(9):1582-1585.

[18]董毅,朱太岗,夏瑞祥,等.骨髓间充质干细胞治疗再生障碍性贫血的研究[J].中华全科医学,2009,7(6):552-554.

[19]Ma L,Zhou Z,Zhang D,et al.Immunosuppressive function of mesenchymal stem cells from human umbilical cord matrix in immune thrombocytopenia patients[J].Thromb Haemost,2012,107(5):937-950.

[20]Ning H,Yang F,Jiang M,et al.The correlation between cotransplantation of mesenchymal stem cells and higher recurrence rate in hematologic malignancy patients:outcome of a pilot clinical study[J].Leukemia,2008,22(3):593-599.

[21]Torsvik A,Bjerkvig R.Mesenchymal stem cell signaling in cancer progression[J].Cancer Treat Rev,2013,39(2):180-188.

[22]Vianello F,Villanova F,Tisato V,et al.Bone marrow mesenchymal stromal cells non-selectively protect chronic myeloid leukemia cells from imatinib-induced apoptosis via the CXCR4/CXCL12 axis[J].Haematologica,2010,95(7):1081-1089.

[23]Angelopoulou M,Novelli E,Grove JE,et al.Cotransplantation of human mesenchymal stem cells enhances human myelopoiesis and megakaryocytopoiesis in NOD/SCID mice[J].Exp Hematol,2003,31(5):413-420.

[24]Bensidhoum M,Chapel A,Francois S,et al.Homing of in vitro expanded Stro-1-or Stro-1+human mesenchymal stem cells into the NOD/SCID mouse and their role in supporting human CD34 cell engraftment[J].Blood,2004,103(9):3313-3319.

[25]Li Y,Chen S,Yuan J,et al.Mesenchymal stem/progenitor cells promote the reconstitution of exogenous hematopoietic stem cells in Fancg-/- mice in vivo[J].Blood,2009,113(10):2342-2351.

[26]Le Blanc K,Samuelsson H,Gustafsson B,et al.Transplantation of mesenchymal stem cells to enhance engraftment of hematopoietic stem cells[J].Leukemia,2007,21(8):1733-1738.

[27]Ball LM,Beruardo ME,Roelofs H,et al.Cotransplantation of ex vivo expanded mesenchymal stem cells aceelerates lymphocyte recovery and may reduce the risk of graft failure in haploidentical hematopoietic stem cell transplantation[J].Blood,2007,110(7):2764-2767.

[28]Wu Y,Wang Z,Cao Y,et al.Cotransplantation of haploidentical hematopoietic and umbilical cord mesenchymal stem cells with a myeloablative regimen for refractory/relapsed hematologic malignancy[J].Ann Hematol,2013,92(12):1675-1684.

述·

10.3969/j.issn.1671-8348.2015.11.042

国家自然科学基金资助项目(NSFC，81270605)；重庆市科委攻关资助项目(CSTC,2008BA5001)。

代凯(1990-)，在读硕士研究生，主要从事间充质干细胞与造血干细胞移植方面的研究。

△通讯作者，Tel:(023)68765196;E-mail:chenjpxn@163.com。

R551.3

A

1671-8348(2015)11-1553-03

2014-10-18

2015-01-10)