间充质干细胞的功能特点及治疗类风湿关节炎的相关研究进展

达古拉 谢先达 王静

[摘要] 间充质干细胞（MSCs）具有自我更新能力和多向分化潜能，在免疫调节、控制炎症和修复软骨破坏等方面有重要作用。MSCs产生大量可溶性膜结合因子，其中一些可抑制免疫应答，诱导免疫耐受，发挥重要的免疫调节作用。由于MSCs的生物学特性和免疫调节作用，在动物试验和临床研究中均证实了MSCs治疗类风湿关节炎的有效性与安全性。本文针对MSCs的功能特点和治疗类风湿关节炎方面的相关研究进展进行简要综述。

[关键词] 间充质干细胞;类风湿关节炎;治疗;免疫调节

[中图分类号] R593.22          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）02（c）-0040-04

[Abstract] Mesenchymal stem cells （MSCs） have self-renewal ability and multi-directional differentiation potential， and they play an important role in immune regulation， inflammation control and cartilage destruction. MSCs produce a large number of soluble membrane-binding factors， some of which inhibit immune responses， induce immune tolerance， and exert important immunomodulatory effects. Due to the biological characteristics and immunomodulatory effects of MSCs， the efficacy and safety of MSCs in the treatment of rheumatoid arthritis have been confirmed in animal experiments and clinical studies in recent years. This article briefly reviews the functional characteristics of MSCs and the related research progress in the treatment of rheumatoid arthritis.

[Key words] Mesenchymal stem cells; Rheumatoid arthritis; Treatment; Immune regulation

类风湿关节炎（RA）是一种常见的慢性炎性自身免疫病，全球发病率为0.5%～1%，国内患病率为0.2%～0.5%[1]。主要累及全身小关节，以滑膜增生、炎症细胞浸润以及滑膜血管翳形成为主要病理特征，是致残率较高的疾病，严重影响RA患者的生活质量。目前类风湿关节炎的治疗手段日新月异，但传统的RA治疗药物如糖皮质激素、缓解风湿病情药（DMARDs）以及非甾体抗炎药（NSAIDs）副作用明显，不能改变疾病进程。近年来，新兴生物制剂效果显著，然而致癌性和诱发加重感染的副作用也日渐增多。此外，经济因素也限制了新兴生物制剂的使用。尽管生物制剂联合传统DMARDs治疗类风湿关节炎有效，但并不能对损伤关节进行骨修复。随着间充质干细胞（MSCs）治疗领域的发展，MSCs在类风湿关节炎中的应用成为目前研究热点。MSCs具有分化为骨和软骨的能力，可修复受损组织。同时抑制促炎因子，减轻炎性反应，还具备抗纤维化和免疫调节等作用[2]，为RA的治疗带来新方向和新思路。

1 MSCs的功能与特点

MSCs最初来源于骨髓，还可从外周血、脂肪组织、滑膜和其他中胚层组织中分离出来。MSCs是一种具有多向分化潜能的非造血干细胞，能够分化成各种间充质谱系，包括软骨细胞、成骨细胞和脂肪细胞等[3]。自身反应性T细胞和炎性细胞因子[肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等]在滑膜炎症和骨破坏中起重要作用，而这种短期和长期接触炎性刺激物（细胞因子）等导致的组织损伤通常主要由MSCs分化的间充质谱系细胞修复[3-4]。此外，MSCs还参与受损组织和器官的自我修复和自我更新过程。很多关于成骨不全和软骨缺损等疾病的临床前和临床研究已经证明了这些细胞的治疗潜力[5]。由于MSCs具有多种分化能力和抗炎特性，在移植物抗宿主病、系统性红斑狼疮、多发性硬化症等自身免疫病中均安全有效[6-7]。

1.1 MSCs的免疫调节作用

骨髓MSC（BM-MSC）可以对先天性和适应性免疫细胞发挥广泛的调节作用。MSCs通过对有丝分裂原（如植物血凝素或伴刀豆球蛋白A）或抗体（抗CD2/CD3/CD28）的反应抑制CD4+T细胞增殖、活化，减少炎性细胞因子分泌[8-9]。BM-MSC还可诱导经典CD4+CD25 hiFOXP3+调节T细胞的分化并维持其免疫抑制功能[10]，因此对机体多种免疫细胞和细胞因子具有负向调节作用，能够维持稳定的外周免疫耐受[11]。此外，还可干扰B淋巴细胞的分化与增殖，通过抑制趋化因子受体（CXCR）4和CXCR5表达，抑制B细胞向炎症部位的趋化和抗体分泌[12]。

与先天免疫细胞一样，MSCs使抗原提成细胞分泌促炎细胞因子如γ-干扰素（IFN-γ）和TNF-α减少，诱导单核细胞转化为具有抗炎活性的巨噬细胞从而促进白细胞介素-10（IL-10）分泌。MSCs还可抑制中性粒细胞凋亡及活性氧（ROS）产生，通过抑制IL-2分泌抑制自然杀伤细胞（NK）细胞毒性和IFN-γ分泌，减弱固有免疫应答，抑制炎性反应进程。MSCs还可通过直接接触或分泌一些细胞因子，如吲哚胺2，3-双加氧酶（IDO）可将必需氨基酸色氨酸催化成犬尿氨酸，影响各种细胞蛋白质合成，导致细胞增殖受抑[13]。MSCs介导的其他细胞因子包括转化生长因子-β（TGF-β）、血紅素氧合酶（HO-1）和人白细胞抗原-G5（HLA-G5）等可溶性细胞因子，作用于宿主细胞至损伤炎症部位，从而发挥其免疫调节作用[14]。除了可溶性因子外，MSCs和T细胞之间的间接接触也可抑制T细胞的功能，这些T细胞获得以CD69持续表达为特征的调节表型，增加Treg相关基因的转录水平[15]。

1.2 MSCs的多向分化能力

1.2.1 MSCs向成骨细胞分化  MSCs具有很强的多向分化潜能和增殖能力，在适宜的体内或体外环境条件下可分化为成骨细胞和软骨细胞并抑制破骨细胞生成。相关研究显示[16]，单次静脉注射MSCs可防止小鼠胶原诱导性关节炎中骨和软骨发生严重和不可逆的损伤。IL-1主要通过Wnt-5α/Ror2通路有效地诱导人MSCs分化成成骨细胞，提示人MSCs经IL-1刺激后具有治疗受损骨的潜在作用以及受损组织的自我修复[17]。有研究发现[18]，脂肪来源的干细胞（ADSCs）具有多能性，不仅具有强大的血管生成潜力，而且还具有通过IL-6和可溶性IL-6受体刺激分化为成骨细胞的潜力。

1.2.2 MSCs向软骨细胞分化  炎性环境破坏软骨基质并诱导软骨细胞凋亡，这导致软骨中的不可逆缺陷，在软骨退行性疾病[包括RA和骨关节炎（OA）]中难以修复。研究显示[19]，软骨含有具有类似MSC特征的软骨形成祖细胞，这提示通过软骨祖细胞向软骨细胞的分化维持了软骨的稳态，也使软骨更新成为可能。由于MSCs存在于软骨中并可分化为软骨细胞，可有望成为软骨修复的新工具。

1.2.3 MSCs抑制破骨细胞生成  破骨细胞在骨吸收中起重要作用，导致RA的关节破坏。MSCs通过组成型骨保护素（OPG）抑制破骨细胞生成，骨保护素是RANKL的受体，可阻断RANKL-RANK相互作用，对分裂和活化破骨细胞有重要作用[20]。用抗OPG抗体或OPG小干扰RNA处理后可部分恢复破骨细胞分化。通过向条件培养基中加入抗OPG抗体，可部分恢复破骨细胞的骨再吸收活性。并且产生OPG的MSCs和其他抑制因子也有利于抑制RA中的骨侵蚀[20]。

2 异基因MSCs治疗RA研究进展

研究显示[21]，在类风湿性关节炎动物模型（CIA）小鼠腹腔中注射异基因MSCs可减轻CIA小鼠关节炎症，同时血清中IL-6、TNF-α分泌减少，IL-10分泌增加，延缓了CIA小鼠病程，抑制滑膜炎症。此外，通过关节腔内注射UC-MSCs联合TNF-α抑制剂可明显减轻CIA大鼠关节炎症状，同样抑制炎性因子分泌[22]。体外实验同样证实[23]，在CIA大鼠关节腔局部注射MSCs可产生TGF-β1，TGF-β1诱导淋巴结中Treg生成，从而抑制T细胞增殖和B细胞产生抗CⅡ IgG，抑制CIA的初始阶段，改善CIA大鼠关节破坏。因此，MSCs具有免疫调节和组织修复等作用，可降低CIA鼠关节炎的发病率，为异基因MSCs移植在临床中的应用提供了理论依据[24]。

在一项大规模非随机对照试验中，有172例对传统经典药物治疗无反应的RA患者，其中136例静脉内接受UC-MSCs（4×107个细胞），而36例仅接受普通溶剂输注治疗，同时所有患者均接受DMARDs治疗。MSC输注后大多数患者没有任何副作用，并且接受DMARDs联合MSCs的患者组显示出疾病活动度明显下降，检测外周血Treg细胞数量增加[25]。体外实验中，将MSCs与RA患者外周血单个核细胞混合培养可见到，MSCs可下调Th17水平[26]。因此，异基因MSCs移植有望成为治疗RA的有效新途径[27]。

3 异基因MSCs治疗RA所面临的问题与挑战

在前期的动物实验和临床研究中，都提示MSCs具有治疗自身免疫病的潜力。但作用机制至今仍未彻底阐明，且在动物试验和临床应用中仍存在一些问题亟待解决。MSCs易受周围环境影响，并且在急性炎性风暴中，会改变MSCs的免疫调节功能同时会使移植存活率下降。导致异基因MSCs在移植宿主内由抗炎作用转变为致炎作用。因此，关于MSCs在CIA动物模型中的作用仍有很大争议。有学者认为[28]，在佐剂诱导关节炎模型的急性进展期，MSCs并未起到治疗作用，反而加重了关节炎评分和关节病理损伤评分。

如何提高异基因MSCs移植的治疗效果？至少有3种不同的策略在临床前模型中看起来有希望：①MSCs的转基因工程以过表达与特定疾病模型相关的蛋白质，如实验性自身免疫性脑脊髓炎中的睫状神经营养因子;②在体内给药前体外预处理MSCs，如缺氧性疾病的缺氧预处理;③使用组织特异性标志物进行MSCs靶向标记，如CD44表面受体的酶促修饰，使用生物化学技术将归巢分子偶联到细胞表面[29]。但这些方法并不是临床应用，目前只是处于实驗阶段。如何与临床应用紧密连接起来，仍需要大量实践去证实。

异基因MSCs移植作为一种新兴的治疗手段，由于其本身生物学特性以及炎性微环境导致其免疫调节功能失调等方面，使临床应用面临着巨大的问题与挑战。因此，如何提高异基因MSCs在宿主体内的存活率、保证MSCs长期有效地在宿主体内发挥抗炎作用和免疫调节作用，是临床应用实践中要解决的关键问题，能够为异基因MSCs治疗RA提供更多的理论依据和支持。

[参考文献]

[1]  Zeng QY，Chen R，Darmawan J，et al. Rheumatic diseases in China [J]. Arthritis Res Ther，2008，10（1）：R17.

[2]  Pistoia V，Raffaghello L. Mesenchymal stromal cells and autoimmunity [J]. Int Immunol，2017，29（2）：49-58.

[3]  Urban VS，Kiss J，Kovacs J，et al. Mesenchymal stem cells cooperate with bone marrow cells in therapy of diabetes [J]. Stem Cells，2008，26（1）：244-253.

[4]  da Silva Meirelles L，Chagastelles PC，Nardi NB. Mesenchymal stem cells reside in virtually all post-natal organs and tissues [J]. J Cell Sci，2006，119（Pt11）：2204-2213.

[5]  de Bari C. Are mesenchymal stem cells in rheumatoid arthritis the good or bad guys？ [J]. Arthritis Res Ther，2015， 17：113.

[6]  Le Blanc K，Rasmusson I，Sundberg B，et al. Treatment of severe acute graft-versus-host disease with third party haploidentical mesenchymal stem cells [J]. Lancet，2004， 363（9419）：1439-1441.

[7]  Cras A，Farge D，Carmoi T，et al. Update on mesenchymal stem cell-based therapy in lupus and scleroderma [J]. Arthritis Res Ther，2015，17：301.

[8]  DI Nicola M，Carlo-Stella C，Magni M，et al. Human bone marrow stromal cells suppress T-lymphocyte proliferation induced by cellular or nonspecific mitogenic stimuli [J]. Blood，2002，99（10）：3838-3843.

[9]  Krampera M，Glennie S，Dyson J，et al. Bone marrow mesenchymal stem cells inhibit the response of naive and memory antigen-specific T cells to their cognate peptide [J]. Blood，2003，101（9）：3722-3729.

[10]  Gao F，Chiu SM，Motan DA，et al. Mesenchymal stem cells and immunomodulation：current status and future pros-pects [J]. Cell Death Dis，2016，7：e2062.

[11]  Caprnda M，Kubatka P，Gazdikova K，et al. Immunomodulatory effects of stem cells：Therapeutic option for neurodegenerative disorders [J]. Biomed Pharmacother，2017， 91：60-69.

[12]  Corcione A，Benvenuto F，Ferretti E，et al. Human mesenchymal stem cells modulate B-cell functions [J]. Blood，2006，107（1）：367-372.

[13]  Ciccocioppo R，Cangemi GC，Kruzliak P，et al. Ex vivo immunosuppressive effects of mesenchymal stem cells on Crohn′s disease mucosal T cells are largely dependent on indoleamine 2，3-dioxygenase activity and cell-cell contact [J]. Stem Cell Res Ther，2015，6：137.

[14]  Gimeno ML，Fuertes F，Barcala Tabarrozzi AE，et al. Pluripotent Nontumorigenic Adipose Tissue-Derived Muse Cells have Immunomodulatory Capacity Mediated by Transforming Growth Factor-β1 [J]. Stem Cells Transl Med，2017，6（1）：161-173.

[15]  Saldanha-Araujo F，Haddad R，Farias KC，et al. Mesenchymal stem cells promote the sustained expression of CD69 on activated T lymphocytes：roles of canonical and non-canonical NF-κB signalling [J]. J Cell Mol Med，2012，16（6）：1232-1244.

[16]  Augello A，Tasso R，Negrini SM，et al. Cell therapy using allogeneic bone marrow mesenchymal stem cells prevents tissue damage in collagen-induced arthritis [J]. Arthritis Rheum，2007，56（4）：1175-1186.

[17]  Sonomoto K，Yamaoka K，Oshita K，et al. Interleukin-1β induces differentiation of human mesenchymal stem cells into osteoblasts via the Wnt-5a/receptor tyrosine kinase-like orphan receptor 2 pathway [J]. Arthritis Rheum，2012， 64（10）：3355-3363.

[18]  Fukuyo S，Yamaoka K，Sonomoto K，et al. IL-6-accelerated calcification by induction of ROR2 in human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells is STAT3 dependent [J]. Rheumatology（Oxford，England），2014，53（7）：1282-1290.

[19]  Choi JR，Yong KW，Choi JY. Effects of mechanical loading on human mesenchymal stem cells for cartilage tissue engineering [J]. J Cell Physiol，2018，233（3）：1913-1928.

[20]  Tanaka Y. Human mesenchymal stem cells as a tool for joint repair in rheumatoid arthritis [J]. Clin Exp Rheumatol，33（4 Suppl 92）：S58-S62.

[21]  Yan X，Cen Y，Wang Q. Mesenchymal stem cells alleviate experimental rheumatoid arthritis through microRNA-regulated IκB expression [J]. Sci Rep，2016，6：28915.

[22]  Shin TH，Kim HS，Kang TW，et al. Human umbilical cord blood-stem cells direct macrophage polarization and block inflammasome activation to alleviate rheumatoid arthritis [J]. Cell Death Dis，2016，7（12）：e2524.

[23]  Zhang X，Yamaoka K，Sonomoto K，et al. Local delivery of mesenchymal stem cells with poly-lactic-co-glycolic acid nano-fiber scaffold suppress arthritis in rats [J]. PLoS ONE，2014，9（12）：e114621.

[24]  Contreras RA，Figueroa FE，Djouad F，et al. Mesenchymal Stem Cells Regulate the Innate and Adaptive Immune Responses Dampening Arthritis Progression [J]. Stem Cells Int，2016，2016：3162743.

[25]  Wang L，Wang L，Cong X，et al. Human umbilical cord mesenchymal stem cell therapy for patients with active rheumatoid arthritis：safety and efficacy [J]. Stem Cells Dev，2013，22（24）：3192-3202.

[26]  Sun Y，Deng W，Geng L，et al. Mesenchymal stem cells from patients with rheumatoid arthritis display impaired function in inhibiting Th17 cells [J]. J Immunol Res，2015，2015：284215.

[27]  Alvaro-Gracia JM，Jover JA，Garcia-Vicuna R，et al. Intravenous administration of expanded allogeneic adipose-derived mesenchymal stem cells in refractory rheumatoid arthritis （Cx611）：results of a multicentre，dose escalation，randomised，single-blind，placebo-controlled phase Ib/IIa clinical trial [J]. Ann Rheum Dis，2017，76（1）：196-202.

[28]  Cosenza S，Toupet K，Maumus M，et al. Mesenchymal stem cells-derived exosomes are more immunosuppressive than microparticles in inflammatory arthritis [J]. Theranostics，2018，8（5）：1399-1410.

[29]  Li T，Xia M，Gao Y，et al. Human umbilical cord mesenchymal stem cells：an overview of their potential in cell-based therapy [J]. Expert Opin Biol Ther，2015，15（9）：1293-1306.

（收稿日期：2019-09-17  本文編辑：王晓晔）