成体干细胞治疗老年退行性疾病的可行性研究

潘兴华，庞荣清，阮光萍，朱向情，蔡学敏，何 洁，赵 晶，刘高米洋

·干细胞与再生医学·

成体干细胞治疗老年退行性疾病的可行性研究

潘兴华，庞荣清，阮光萍，朱向情，蔡学敏，何 洁，赵 晶，刘高米洋

干细胞；治疗；老年；退行性疾病；可行性

衰老是生命发展的自然规律和现象，是由于身体细胞群长期受到体内外环境因素的冲击和伤害，引起身体各个组织器官结构与功能逐渐退化，并导致组织或器官功能减退的一种慢性综合性征[1]。老年退行性疾病是指那些与年龄相关的组织细胞老化导致的组织器官结构与功能减退，表现为器官功能障碍，身体抵抗力衰弱，协同功能丧失，发病率增加。衰老是我国面临的重大问题之一，未来5年老龄人口将达到2.48亿,80岁以上的老年人将超过3000万,高龄、空巢、失能老人将日益增多，缺医少药矛盾突出，“老有所医”已经成为医学研究的重点内容之一[2]。干细胞是人体组织细胞更新换代和病理性损伤修复的种子，国内外相关研究均提示，从干细胞的角度可能找到老年退行性疾病治疗、延缓或逆转衰老状态的有效方法。

1 老年退行性变的细胞学基础

人体衰老涉及环境、饮食、毒物、疾病等内外因素对遗传基因修饰、自由基、炎症与免疫、内分泌与代谢、组织结构与功能、细胞生长调控、氧化与抗氧化等多方面的影响[3-5]。老年退行性变是细胞更新换代平衡失调所致，细胞作为生物体结构和功能的基本单位，其增殖活性降低、绝对数量减少，是组织器官的结构与功能减退的基础。干细胞是组织细胞更新换代的种子，干细胞数量和活性不足是组织器官衰老退变的原因[6]。从细胞学的角度分析，人体衰老源于以下几方面的综合作用：（1）组织细胞的衰老与凋亡[7]；（2）干细胞的衰退导致正常衰老死亡细胞无法得到更新换代，功能细胞总量下降[8]；（3）外环境对基因的作用加速细胞老化[9]；（4）体内衰老基因的活跃和年轻化基因的失活[10]；（5）细胞内外环境的有害因素积累导致细胞中的大分子、自由基等受损，细胞自噬作用下调[11]。组织细胞的凋亡与再生受体内细胞因子、神经内分泌、免疫与炎症反应、代谢与营养等多种因素共同调节[12]。老年退行性疾病研究与治疗的关键问题，是要搞清楚老年退行性疾病的细胞生物学特点，认清导致衰老退变的体内调控因素的变化规律和相互作用，找出导致老年性退变的关键因子，并弄清详细机制，依据规律和关键因素寻找治疗方法和药物。

2 成体干细胞（ADSC）治疗老年退行性疾病的作用和机制

2.1 成体干细胞治疗老年退行性疾病的作用 干细胞具有自我更新和分化的潜能，是维持组织器官结构与功能的种子。在从人体发育生长到衰老死亡的整个生命过程中，均伴随着干细胞的增殖与分化，组织细胞的生理性更新换代和病理性组织损伤修复依赖干细胞的动员、增殖活化和分化[13]。干细胞存在于人体内的各种器官中，在病理性损伤的条件下，组织中的干细胞通过快速增殖和分化来参与和促进组织损伤的修复，但其分化方向取决于组织特定微环境的诱导作用[14]。人体的衰老，特别是老年退行性疾病的发生发展，是由于干细胞的数量减少和活性降低，导致新生细胞少于衰老死亡细胞的结果[15]。Signer等研究表明，衰老是一个逐渐积累的过程，器官的正常运作和环境暴露均可能造成组织损伤，需要不断地进行损伤修复，在胚胎发育和人体生长期，干细胞的增殖分化能力极强，而在衰老的组织器官中干细胞活性下降。随着年龄的增长，干细胞的数量和活性逐渐降低，某些组织中的细胞的丧失如得不到及时更新补充，就会影响该器官的功能，最终导致重要器官功能衰竭和死亡[16]。

近年研究发现，输入年轻动物的血液或干细胞可使老年小鼠年轻化，表现为肌肉和大脑重获活力，寿命延长，衰老退变的器官功能改善[17]。Jinhui Shen等报道，将年轻鼠的骨髓间充质干细胞输入老龄鼠体内可明显延缓衰老和延长寿命，减少老年性骨质丢失。Hai-chun Yang等发现，来自年轻鼠的骨髓移植后，可减轻老年鼠的肾功能衰退，逆转炎症反应诱导的组织器官功能退变。同时有研究发现，将人类干细胞转化为胰岛素分泌细胞的方法，可使衰老退变的胰腺功能再生。本课题组研究证明，干细胞移植可改善老年相关疾病，如2型糖尿病、老年性骨质疏松等[18-19]。Fernando等[9]对猕猴实施全身微量放射线照射后，通过静脉输入骨髓间充质干细胞（BMSC）后，发现进入体内的BMSC在肝、肾、胸腺、肠、骨髓、皮肤等组织分布，而未受损伤的健康对照动物没有BMSC分布，提示BMSC参与损伤组织的修复[20]。国内外有人观察了间充质干细胞对肝、肾、皮肤、血管、神经、肠道、脑等损伤的影响，认为有促进创伤愈合和抑制皮肤细胞凋亡的作用。一些针对个别器官年轻化的研究发现，输入胚胎、骨髓、脂肪、脐带等来源的干细胞，可改善皮肤、肝、心、肾、脑、肌肉等重要器官功能[21]，BMSC移植可改善胸腺、性腺等衰老敏感器官的功能，给老年人输入脐血干细胞可改善老年骨质结构，有效治疗骨质疏松。本课题组先后利用肝、肾、胰、脑、骨、皮肤损伤和系统性放射伤、系统性红斑狼疮、代谢综合征、创伤性多器官功能不全等12种疾病模型，评价了脐带和间充质干细胞的疗效，证明间充质干细胞可进入损伤组织，并在相应微环境诱导下分化为功能细胞，促进损伤组织结构与功能再建[22-23]。上述表明，不同来源的ADSC均具有促进局部和系统性损伤、衰退组织损伤修复的作用，提示ADSC对衰老、老年退变性疾病治疗有一定作用。

2.2 干细胞治疗老年退行性变的机制 综合国内外研究报道，骨髓、脐带、脂肪等成体组织来源的ADSC对组织器官损伤修复的作用可能通过多种机制实现，是多种机制协同作用的结果，但针对不同类型的损伤及损伤组织的微环境变化，ADSC促进损伤修复的模式有所差异。目前有证据的机制主要有[24-25]：（1）迁移、分布、定植于损伤组织，在损伤组织的微环境诱导下整合、定向分化并参与修复；（2）分泌多种细胞生长因子，促进原位细胞生长及损伤修复；（3）促进损伤组织的毛细血管再生，改善局部血液循环、代谢和营养；（4）通过直接接触和分泌细胞因子，调节免疫平衡和炎症反应，减少继发性损伤；（5）提高肌体抗氧化应激因子分泌，提升整体抗氧化应激能力。ADSC的上述生物学效应和作用机制符合系统性损伤、衰老退变及老年性疾病治疗要求，可以有效促进衰老死亡细胞的更新换代，损伤组织的结构与功能重建。从理论上讲，ADSC可用于涉及缺血性、创伤性、中毒性、自身免疫性和老年性组织细胞变性、坏死、缺失引起的各种疾病治疗[26-27]。在ADSC中，人脐带间充质干细胞（human umbilical cord mesenchymal stem cells,HUC-MSC）是目前可以规模化、标准化制备和储存的干细胞之一，在合适的条件下可以跨胚层分化，这类细胞具有良好的促进损伤修复和免疫、炎症调节作用。本课题组前期针对多种创伤性、退变性、缺血性、放射性组织损伤性疾病动物模型进行了治疗研究，发现给疾病动物模型系统性连续 3次输入1×106细胞/kg的UCMSC后，对肺纤维化、缺血性脑损伤、糖尿病、系统性红斑狼疮及创伤诱导的多器官功能不全显示一定治疗作用，其机制是UC-MSC分布于损伤组织并参与结构重建，同时分泌多种细胞生长因子促进原位细胞生长和抑制炎症反应。

3 干细胞抗衰老的研究重点

对于干细胞治疗老年性退变的研究，选择合适的动物模型及疗效评价方法和标准是关键。目前常用动物为啮齿类自发性、人工化学诱导和转基因动物模型，也有利用全身放射线照射法创建急性衰老模型的报道[28]。这些模型的特点是可以大批量创建，但利用这类模型进行的研究结果与人类有一定差异，临床参考的可行性不如灵长动物。关于灵长动物衰老模型的研究，主要集中于天然衰老模型的筛选和利用，也有关于神经、血管损伤及感染性疾病模型创建的报道[29]。北京大学和解放军总医院等单位的专家进行了一些研究并取得突破性进展，但由于衰老评价技术方法的限制和动物个体差异的变化，目前尚缺乏系统性研究和可供临床参考的标准，特别是利用现代分子生物、影像、组学技术深层次解决模型评价指标体系、技术和标准化问题仍然是衰老或老年退行性疾病治疗研究的核心问题之一。

涉及临床应用，还需要解决关键技术方法、疗效和机制问题。虽然有一些证据表明干细胞有一定损伤修复作用，但仅限于现象观察和局部组织或器官的结构与功能研究，对老年个体的整体效应尚缺乏系统性分析研究，需要进一步从整体疗效、组织器官的结构与功能、细胞活性、免疫与炎症因子、生长调控因子、代谢组学、基因修饰与表达等不同层次和侧面详细评价干细胞治疗的作用和机制。外源性干细胞在体内的演变过程和生物学行为也是进一步研究的重点，同种异体干细胞进入体内后的动态分布与存活、定植与分化、与原位细胞的整合与结构重建、成熟与免疫排斥等问题还需要进一步明确。在进入临床之前，需要建立ADSC及其临床制剂的制备与鉴定技术规范，通过动物模型治疗实验，建立关键技术方法，包括适应证选择、干细胞治疗时机、治疗途径、输入细胞的次数与间隔、辅助治疗与长期疗效等基本问题和参数等。疗效和安全性评价技术方法和标准是干细胞治疗老年退行性疾病的基础，需要在整体观察的基础上，针对特定器官或疾病建立评价技术体系及规范，以保证临床治疗的可行性、有效性和安全性。随着干细胞治疗技术的发展，利用干细胞延缓或逆转衰老状态，有效治疗老年退行性疾病和提高老年人群的生存质量将成为现实，预计基于干细胞治疗技术结合其他现代精准医疗技术，可能会给人类带来20年左右的延缓衰老空间。

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650032昆明,成都军区昆明总医院细胞生物治疗中心，干细胞与免疫细胞生物医药技术国家地方联合工程实验室,云南省细胞治疗技术转化医学重点实验室，云南省干细胞工程实验室，昆明市干细胞与再生医学研究重点实验室

潘兴华，E-mail：Xinghuapan@sohu.com.cn