人羊膜上皮细胞改善缺血再灌注损伤的研究进展

李长春 刘敏 张强 尹熙惠 洪兰 方成虎

(1延边大学附属医院,吉林 延吉 133000;2上海市虹口区江湾医院(上海健康医学院附属第一康复医院);3延边大学医学院生理学与病理生理学教研室)

缺血-再灌注损伤(IRI)是近年来临床医生所面临的一个比较棘手的问题。IRI引起的组织损伤分为缺血损伤和再灌注损伤两部分。如冠状动脉硬化导致的心肌梗死、器官移植、肢体损伤、创伤性休克、脑卒中等都可能引起组织缺血损伤和再灌注损伤。重度IRI引起的细胞损伤可导致细胞凋亡、自噬和坏死〔1～3〕;中度IRI可能通过自噬引起细胞功能障碍,如果损伤严重,可通过凋亡或坏死途径诱导细胞死亡〔4〕;轻度IRI可能激活细胞生存程序,以控制活性氧(ROS)的产生和细胞损伤〔5〕。因此,IRI程度取决于整个组织损伤的严重程度〔6〕。在缺血性疾病抢救和治疗过程中发现,缺血和低氧可引起组织细胞坏死和凋亡,并伴有细胞因子、趋化因子和ROS的释放,这些信号启动炎症细胞如中性粒细胞和单核细胞的浸润,导致炎症增强和进一步细胞损伤和破坏〔7〕。此外,黏附白细胞介导的内皮损伤和微血管堵塞导致管周毛细血管丢失,从而加重缺血〔8〕。缺血状态下还可诱导无氧代谢,导致三磷酸腺苷(ATP)产生水平降低,离子交换通道失效从而导致细胞肿胀和细胞质中的酶活性受损;再灌注状态下线粒体损伤和电解质失衡从3个主要系统促进氧化应激:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶系统、一氧化氮合酶系统和黄嘌呤氧化酶系统。ROS保留诱导细胞损伤,通过自噬、有丝分裂、坏死和凋亡4种途径导致细胞死亡。因此,恢复缺血组织血流量后的临床结果并不理想〔9〕。由于其多因素的病理生理机制一旦建立,就没有有效的药理学方法来阻止IRI的发展或逆转组织损伤〔10〕。因此,临床上迫切需要有效的治疗方法解决相关问题。研究表明,以干细胞为基础的疗法有可能减轻许多严重疾病的负担,该法主要依赖于干细胞的两种特性:向3种胚层的分化能力(多能性)及免疫调节功能〔11〕。多能性允许干细胞分化成所需类型的细胞,以达到细胞替代的目的;免疫调节特性可用于控制免疫介导的炎症和组织排斥反应〔12〕。传统上,多能性被认为是胚胎干细胞的特性,而免疫调节被认为是来自成体组织的间充质干细胞的特性。多项研究表明,某些围生期细胞代表了一类新的干细胞,在体外和体内都具有多能性和免疫调节作用,即人羊膜上皮细胞(hAECs)。hAECs来源于羊膜上皮层,是一种具有类似于干细胞分化能力和成熟干细胞免疫调节特性的细胞,由于其多能性、低突变频率、免疫原性低,致瘤性低,来源丰富,无伦理风险,在再生医学中受到广泛关注〔13〕,且该细胞在许多疾病治疗中取得了良好的效果,本文对hAECs在治疗肾、肝脏和脑IRI方面的作用及机制进行综述。

1 hAECs治疗肾IRI

急性肾损伤(AKI)是由缺血引起的一种常见的临床事件,其发病率和死亡率都很高,也可发展为慢性肾脏疾病〔14〕。目前治疗AKI主要方法还是肾脏替代治疗和肾移植,而IRI又是肾移植的重要危险因素。在肾IRI过程中,会发生一系列事件,如随着肾小管上皮细胞的凋亡和坏死,ROS代谢产物的蓄积,钙超载,炎症介质和能量代谢紊乱等,从而导致肾功能障碍,引起代谢异常〔15〕。研究发现,干细胞疗法在多种肾脏疾病中具有肾保护作用,但尚未检测到干细胞可分化足够数量的细胞来重建肾组织器官〔16〕。Wang等〔17〕通过神经胶质源性神经营养因子(GDNF)促进羊水干细胞(AFSCs)抑制小鼠肾小管上皮细胞凋亡的能力,建立了体外缺氧-复氧模型模拟肾脏损伤微环境。研究发现,经GDNF-AFSCs处理后显著抵消了氧化/硝化应激,GDNF-AFSCs可以促进衰老细胞凋亡,增加生长因子含量,这在肾损伤细胞治疗方面具有优势。Ren等〔18〕通过改变双侧肾蒂夹持时间来控制损伤程度,建立小鼠缺血性肾损伤模型。33 min-IRI组7 d死亡率达到90.0%,注射hAECs使7 d死亡率从90.0%降低到47.4%;注射hAECs后第1天和第2天血清肌酐水平下降;与对照组比较,注射hAECs后肾皮质和外髓质区坏死和损伤小管的比例更低。由此说明,hAECs可促进小鼠肾功能,增加IRI小鼠的生存率。

2 hAECs治疗脑IRI

颅脑IRI指的是再灌注后神经功能障碍加重〔19〕,包括抗氧化治疗在内的大多数治疗方法被证明是无效的〔20〕,此类损伤与炎症反应程度有密切关系〔21〕。因此,如何控制炎症反应在脑IRI的进展是本病治疗的关键环节。研究发现,hAECs可表达羊阶段特异性表面抗原(SSEA)-3、SSEA-4、八集体结合转录因子(Oct)-4、Nanog等干细胞标志,具有多向分化潜能〔22,23〕。hAECs可分化为神经细胞并表达与神经细胞相关的多种标志物〔24〕。Sakuragawa等〔25〕报道培养的hAECs中有超过50%的细胞表达神经元标志物,如胶原三螺旋重复蛋白(RC)1、波形蛋白、神经丝蛋白、微管相关蛋白(MAP)2激酶,有20%表达神经胶质细胞标志物,如胶质纤维酸性蛋白、环核苷酸磷酸二酯酶、髓鞘碱性蛋白和半乳糖脑苷脂。有研究证实,体外培养和诱导的hAECs以不同比例分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞〔26～28〕。Okawa等〔29〕在hAECs治疗成年沙鼠脑缺血损伤时,发现hAECs移植入海马后可迁移到海马CA1锥体层,并转化成神经元样细胞和神经干细胞。Evans等〔30〕报道,将hAECs移植到脑缺血小鼠模型后,脑炎症、脑梗死发展和功能缺陷明显减轻和缓解;hAECs可通过趋化因子受体4依赖机制向缺血脑组织迁移,早期注射hAECs可有效控制绒猴脑缺血后梗死发展。此外,研究表明磷酸肌醇3-激酶和丝氨酸/苏氨酸激酶信号通路是介导细胞存活的重要途径。如Ding等〔31〕通过川芎嗪治疗可激活苏氨酸激酶通路,促进氧葡萄糖剥夺后hAECs中一氧化氮生成,而川芎嗪对正常hAECs中磷酸肌醇3-激酶和丝氨酸/苏氨酸激酶通路和一氧化碳生成无显著影响。由此表明,川芎嗪在脑IRI损伤中的作用很可能是通过激活磷酸肌醇3-激酶和丝氨酸/苏氨酸激酶通路,从而激活内皮型一氧化碳合酶/一氧化碳信号通路增加一氧化氮的产生来实现的。由此可见川芎嗪作为激活物使得hAECs在脑IRI中发挥保护细胞作用。

3 hAECs对肝脏IRI治疗的作用

IRI是肝切除、肝移植等手术过程中发生肝损伤的重要原因〔32〕。当肝脏恢复血供,容易进一步加重缺血造成的损伤〔33〕。内皮细胞和枯否细胞肿胀〔34〕、血管收缩〔35〕、白细胞浸润〔36〕和窦内血小板聚集是IRI的特征〔37〕。枯否细胞和中性粒细胞的激活导致炎症细胞因子〔38〕和自由基〔39〕释放,进一步加重肝脏损伤。肿瘤坏死因子和白细胞介素是参与肝脏IRI最常见的强效细胞因子〔40～42〕。王新党等〔43〕在大鼠IRI肝模型(干细胞移植组、模型组、正常对照组)建立2 w后进行hAECs移植,发现干细胞移植组门冬氨酸转移酶、丙氨酸转移酶和丙二醛表达量较模型组下降,但丙二醛仍较正常对照组高。以上结果说明了干细胞移植组大鼠肝功能在hAECs 移植后明显改善,脂质过氧化反应程度减轻,由此证明了hAECs移植可促进修复肝脏IRI。

综上,hAECs在IRI的作用及相关机制有些证据还停留在临床前实验阶段,但为今后临床治疗过程提供了新的思路,例如该细胞在治疗心肌IRI治疗中还无具体实验结果,但该细胞在治疗心肌梗死、预防心室重构等方面已有明确的作用。推测hAECs在治疗心肌IRI可能也会有积极作用,但仍需验证。