干细胞技术在皮肤放射损伤中的应用

电离辐射可致皮肤非典型角化引起的干燥脱皮、表皮脱落和血管生成抑制逐渐导致皮肤溃烂，诱导基底膜的急性退行性改变，增加血管的通透性，减少新生血管形成。最后，严重辐射灼伤的主要特征是发生不可预测的慢性炎症，导致皮肤的表面坏死并向深度延伸。

传统的治疗方法主要是手术和常规完善治疗，它结合了大的放射性损伤组织切除术与经典的整形外科技术，经典的治疗方法源于热或电烧伤的管理。手术是导致非常高的发病率和残疾率的最终选择，切除病灶很难保持稳定，因为与热烧伤相比，正常组织和放射性损伤组织之间很难界定。此外，每一个操作都会刺激炎症发展，促进缺血和纤维化过程。严重的照射(25 Gy的X射线)可导致皮肤广泛的坏死，需要重复手术治疗。

表皮干细胞在皮肤稳态和伤口修复中发挥重要作用，但是它们的再生能力较弱。因此，开发一种新的治疗方法，使用成人干细胞来控制炎症、加速表皮再植和血管生长，成为受照射后组织再生或修复的重大挑战。

此前，7名曾在法国(IRSN-Percy联合医院)治疗的高度辐射受照者接受了局部注射自体间充质干细胞(MSC)，手术切除和皮肤移植。MSC从自体骨髓(BM)抽吸物获得，体外扩增培养15～17天。 根据伤口动力学的严重程度和进展，患者接受2～5次MSC的重复注射。治疗过程中发现干细胞注射也与疼痛阈值的下调有关，表明MSC参与局部炎症控制。总之，我们需要进一步研究开发用于放射性皮肤损伤治疗的标准干细胞疗法。

1 干细胞

1.1 间充质干细胞(MSC)

几十年来，使用成体干细胞的细胞疗法已经挽救了数千名患者。

骨髓源性造血干细胞治疗法首次应用于1956年，用于白血病和淋巴瘤的治疗。Friedenstein等人最先提出骨髓间充质干细胞的说法，后来发现，成纤维细胞样细胞有成体干细胞特性，因为它们可以分化为软骨、骨、脂肪和肌腱。骨髓间充质干细胞直接分化成这些软骨、骨、脂肪和肌腱等组织或间接通过蛋白质或细胞因子的分泌和免疫抑制。

间充质干细胞容易从各种组织来源例如骨髓、脂肪、脐带和其他来源获得，并且容易分离，可大规模体外扩增，冷冻保存损失少。间充质干细胞静脉输入后可全身迁移，特别是在缺氧或组织损伤的区域。

即使全身应用同种异体间充质干细胞也没有任何副作用，因为它们有免疫调节作用。间充质干细胞有可靠的安全性，移植后尚未显示肿瘤形成，并且通过广泛测试已被证明在心血管和神经变性疾病、移植物抗宿主病(GvHD)和自身免疫疾病的临床前和临床研究中都是有效的。由于间充质干细胞能够分化为成骨细胞，早期研究系统性地建立了间充质干细胞移植安全性的良好临床记录。因此，高剂量辐射暴露后，注射间充质干细胞可用于治疗溃疡性皮肤病，并可使肌肉恢复。

裸鼠肌肉辐射损伤模型：移植骨髓间充质干细胞后，大多数植入的人类细胞聚集在弱损伤区域。移植后3天，皮肤中可观察到来自供体的骨髓细胞，接下来的21天中数量不断增加。已被证实，在这3周期间，可以通过炎症反应非特异性地募集骨髓细胞。实验观察到的骨髓间充质干细胞到皮肤上皮细胞中的定位与先前报道的结果一致：在雄性至雌性小鼠移植模型中，小鼠骨髓间充质干细胞可在皮肤上皮细胞中直接分化。

混合中子辐射非人灵长类动物模型：注入绿色荧光蛋白标记的非人灵长类间充质干细胞的不同组实验，已经显示间充质干细胞优先植入再生组织。可能有两个主要机制：第一种机制是旁分泌效应，通过移植细胞释放的细胞因子和生长因子引发宿主相关的信号通路影响微环境，增加血管生成，减少细胞凋亡，使细胞外基质重塑(通过β转化生长因子产生)；第二种机制，临床证据表明，干扰素γ的T细胞增殖和分泌的抑制作用是由干细胞分泌的前列腺素E2介导的，CD14+单核细胞通过白介素-1β依赖性途径促进干细胞的免疫抑制作用。

除了间充质干细胞的调节性旁分泌效应，这些细胞支持角质细胞的群体生长和分化。临床使用人体间充质干细胞可修复意外照射后患者的皮肤损伤。

1.2 脂肪来源基质细胞

骨髓的间充质干细胞成功移植后辐射诱发并发症的减少，开启了皮肤放射综合征治疗的新策略。

众所周知，脂肪干细胞在延迟愈合中的临床应用有待研究，有可能因此形成一种新的治疗方法。脂肪干细胞是多能干细胞的来源，其参与伤口愈合的新血管形成和上皮再生。应用脂肪干细胞促进伤口在生理和病理情况下愈合是新的观点。

脂肪组织参与广泛的生理过程，包括凋亡、炎症、血管生成、凝血、纤维蛋白溶解和血管内稳态。研究表明，来源于脂肪组织的细胞可用于动物模型中的造血、血管形成或骨骼肌恢复。脂肪干细胞的可塑性为再生临床医学带来了新的希望。

脂肪细胞的前体遍及成年生命的体内，并且可以根据生理或病理生理状况增殖和/或募集。这些细胞的分化导致形态和生物化学变化，细胞变成圆形开始积累甘油和脂质空泡。通常认为前脂肪细胞比成熟脂肪细胞更有利于作为干细胞，因为它们能够增殖获得更大的细胞数量，以及分化获得特异性细胞。

脂肪组织是多能细胞的来源，具有分化成脂肪细胞、软骨细胞、生肌细胞和雌激素细胞的能力。自体脂肪来源的干细胞(ADSC)可以通过脂肪抽吸或腹部手术获得。这些细胞也被认为是间充质细胞，因为它们衍生自脂肪组织，脂肪组织又衍生自间充质，类似于骨髓。研究表明，脂肪组织的基质血管细胞有促血管生成前体细胞的能力，与骨髓单核细胞相当。它们能够分化为内皮细胞并掺入血管中，从而促进新血管形成。

小鼠ADSC脂肪组织还可以在体外自发产生功能性的心肌细胞样细胞，在急性心肌梗塞模型中存活并分化为造血组织。研究报道，移植的ADSC可以产生和/或支持主要的造血谱系，从而挽救受到致死剂量照射的小鼠。ADSC参与伤口愈合过程的第一部分，因为细胞刺激新血管形成并且促进血管内皮生长因子分泌。ADSC通过胶原分泌改善皮肤质量，分化成角质形成细胞和产生旁分泌因子(KGF)以调节修复皮肤伤口的能力，在辐射条件下加速再生上皮化。

ADSC细胞可以以最小损伤大量获得，使用微创的脂肪抽吸也容易收获脂肪组织，这些细胞可以冷冻保存至少6个月，确保以后的临床应用。这些都使得ADSC更加适合用于皮肤伤口患者的自体细胞治疗。

1.3 多能干细胞

研究多能干细胞需要鉴定分化的最佳阶段，并证明这些细胞可以在没有癌症发生的情况下使用。

同种异体细胞与自体细胞的问题仍然存在。自体细胞更昂贵和更可变，提取和培养时间长限定了不能用于急用。同种异体细胞可提供现成产品，但需要避免排斥反应。

所有这些需通过改进移植物的整合来实现，包括血管形成(动脉管道和微血管系统的生长)的控制，炎症和瘢痕的形成。

1.4 组织工程

与其他研究领域一样，有些具体的科学研究领域关注于治理方法。将干细胞用于组织工程应用需要解决许多问题，包括组织采集、细胞分离和细胞培养方法的标准化。收获组织的方法可以对细胞增殖和分化的能力产生不同影响，从而将可变性引入每个样品的细胞回收和培养过程中。此外，因为组织工程中干细胞的使用是初期的研究领域，尚未明确细胞一旦在生物材料上培养将如何表现。

组织工程是指体外三维组织的生长，目的是建立更多的生物相关模型用于体外研究或组织的体内再生治疗。最常见的涉及使用多孔及可降解生物的支架的细胞接种，其他方法包括将细胞浇铸成水凝胶或产生仅由细胞和它们分泌的基质组成的不含支架的组织。合成材料在可制造性方面的优点——易于制造，廉价及可重复使用。然而，合成物通常有较差的生物相容性，容易引起异体炎症反应，有时局部会释放有毒的降解产物。生物反应器通常用于组织工程中，提供电和机械调节或通过灌注系统将营养物递送至组织。

经过十多年的研究活动，干细胞科学似乎越来越朝向之前预期的方向发展。临床试验已经建立了细胞递送技术，并且实现了在人体实验中建立可行性、安全性和早期功效的方案。

2 7例采用手术联合自体MSC治疗成功患者

法国临床实践支持使用自体MSC输注修复受害者在意外照射后的皮肤和潜在的肌肉损伤(IRSN专家共识和法国佩尔西医院医疗管理共识)。以下是MSC与皮肤移植或手术组合治疗应用的7个病例。

患者1于智利(2005年)意外受照射，治疗了两个不同的病变(手和臀部)。患者2在塞内加尔(2006年)意外受照射，患者3在突尼斯意外受照射(2008年)，患者4在厄瓜多尔(2009年)意外受照射，患者5在委内瑞拉(2010年)意外受照射，患者6在加蓬(2010年)意外受照射，患者7是智利(2005年)意外受照射。根据开发的METREPOL分级系统对放射性烧伤的严重性进行分级。

根据随访结果，其中对于第一个患者随访达到7年之久，获得的临床结果成功证明干细胞治疗具有高度的临床意义。干细胞注射治疗的成功和随后减少辐射诱发的并发症，可能在皮肤放射综合征治疗策略方面打开全新的道路。智利病人(智利，2005年)的医疗管理被选为严重放射性烧伤医疗管理的临床原则基础。在此经验的基础上，对于其他6例过度暴露于γ放射源的患者，用的是同样的创新治疗策略——将早期剂量测定引导的病灶切除术和MSC细胞治疗相结合。

3 结论和观点

目前的数据表明，虽然MSC在再生医学中首先基于其干细胞样品质和其它特征如其抗增殖和抗炎特性被提出用于治疗目的，但近年来，临床治疗使用其他祖细胞的有益效果或不同类型的干细胞的共移植进化，因为内皮或上皮细胞的祖细胞可以被作为皮肤重建的新治疗策略。

自从发现各种干细胞群体和随后的提取和培养用于治疗用途的能力，已经对再生损伤组织的潜力进行了大量研究。然而，过去十年表明，将干细胞治疗的潜力转化为实践并不容易，在这种治疗达到其全部潜力之前，需要解决许多问题。

测试使用干细胞作为再生医学的治疗策略的其他研究应该研究人类创伤和其他病理状况。用于软组织重建的干细胞组织工程可研究其它材料和策略，即支架/基质、海绵的开发。目前正在研究以增强植入干细胞的募集、存活和长久。如果再生成功，大量的干细胞需要保持存活，分化成完全功能的细胞并驻留在组织中。干细胞通过旁分泌效应发挥作用，通过对供体干细胞和宿主组织之间的分子相互作用可发现这种作用的机制。

本文内容源于IAEA、WHO相关技术丛书。