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        牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷的研究進(jìn)展

        2014-03-06 23:29:50陳海聰綜述胡資兵審校
        醫(yī)學(xué)綜述 2014年3期
        關(guān)鍵詞:神經(jīng)細(xì)胞充質(zhì)牙髓

        陳海聰(綜述),曾 榮,胡資兵(審校)

        (廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科,廣東 湛江 524000)

        脊髓損傷后可導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)體功能紊亂甚至癱瘓或死亡,由于中樞神經(jīng)不可再生,該病治療結(jié)果不太理想。隨著干細(xì)胞理論的發(fā)展,研究者發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞移植療法在脊髓損傷修復(fù)中具有重大潛能,不僅能減少脊髓細(xì)胞的凋亡,還可促進(jìn)患者損傷后功能的恢復(fù)[1-3]。目前胚胎干細(xì)胞[4]、臍帶血干細(xì)胞[5]、神經(jīng)干細(xì)胞[6]及間充質(zhì)干細(xì)胞[7]等被應(yīng)用于脊髓損傷的細(xì)胞治療,并且取得了一定療效。自2000年以來,牙髓干細(xì)胞逐漸被人們所認(rèn)識。牙髓干細(xì)胞同擁有間充質(zhì)干細(xì)胞及神經(jīng)嵴干細(xì)胞的特性,能分化為神經(jīng)細(xì)胞以及其他類型的細(xì)胞,可作為一種新的種子干細(xì)胞用于脊髓損傷的治療。

        1 牙髓干細(xì)胞

        1.1牙髓干細(xì)胞的定義 干細(xì)胞是一類能自我復(fù)制,并且能夠分化成特定細(xì)胞類型的細(xì)胞[8]。根據(jù)干細(xì)胞的發(fā)育潛能分為三類:全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞[9]。2000年Gronthos等[10]利用酶消化法培養(yǎng)人第三磨牙牙髓組織,得到了有細(xì)胞克隆能力及高度增殖能力的細(xì)胞,通過和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的對比研究,發(fā)現(xiàn)牙髓細(xì)胞具有與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞極其相似的免疫表型及形成礦化結(jié)節(jié)的能力,同時還具有分化形成牙本質(zhì)及髓樣復(fù)合物的能力,從而提出了牙髓干細(xì)胞的概念。目前為止,有5種干細(xì)胞被證明存在于牙齒中,分別為牙髓干細(xì)胞[10]、脫落乳牙干細(xì)胞[11]、端突干細(xì)胞[12]、韌帶周圍干細(xì)胞[13]和牙囊祖細(xì)胞[14]。以上5種干細(xì)胞均具有自我更新和多向分化能力,并有較強的克隆能力。

        1.2牙髓干細(xì)胞的表面標(biāo)記 明確干細(xì)胞表面分子標(biāo)記是分離鑒定干細(xì)胞的重要手段。對于牙髓干細(xì)胞,目前仍缺乏特異性標(biāo)記。來自中胚層細(xì)胞的標(biāo)志物基質(zhì)細(xì)胞抗原(STRO-1)及CD146在牙髓干細(xì)胞中均有表達(dá),它們可用于牙髓干細(xì)胞未分化狀態(tài)的鑒定。多個實驗發(fā)現(xiàn)牙髓干細(xì)胞與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞有極其相似的細(xì)胞表型[10,15-16]。免疫組織化學(xué)及流式細(xì)胞儀技術(shù)分析表明,牙髓干細(xì)胞可表達(dá)一系列間充質(zhì)干細(xì)胞標(biāo)志物(如CD29、CD90、CD73、CD105)及表達(dá)部分神經(jīng)標(biāo)志物(如巢蛋白、β微管蛋白Ⅲ、神經(jīng)元核抗原、膠質(zhì)纖維酸性蛋白、S100),但不表達(dá)內(nèi)皮及造血標(biāo)志物(如CD14、CD34、CD45、CD11b、人白細(xì)胞DR抗原)[11,15]。

        1.3牙髓干細(xì)胞的生物學(xué)特性

        1.3.1自我更新能力 干細(xì)胞的自我更新及增殖能力的重要標(biāo)準(zhǔn)是單一細(xì)胞的克隆形成率[17]。Gronthos等[10]對牙髓干細(xì)胞及骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的比較發(fā)現(xiàn),牙髓干細(xì)胞在培養(yǎng)14 d后較骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有更強的克隆形成率。此外,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)獼猴牙髓干細(xì)胞培養(yǎng)14 d后克隆形成率達(dá)到90%,證明牙髓干細(xì)胞在體外有明顯的更新及增殖能力[18]。

        1.3.2多重分化能力 牙髓干細(xì)胞具有多重分化能力,不僅能夠分化成牙質(zhì)細(xì)胞,還能向脂肪細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、成骨細(xì)胞及軟骨細(xì)胞分化。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)大鼠牙髓干細(xì)胞在一定條件下能夠分化成軟骨細(xì)胞,并且他們通過形態(tài)學(xué)、分子學(xué)及生物化學(xué)也證明了這一點[19]。

        1.3.3免疫調(diào)節(jié)能力 如骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞一樣,牙髓干細(xì)胞擁有強大的免疫調(diào)節(jié)能力。Yamaza等[20]通過動物實驗證明,牙髓干細(xì)胞具有免疫調(diào)節(jié)作用,移植牙髓干細(xì)胞能夠逆轉(zhuǎn)系統(tǒng)性紅斑狼瘡相關(guān)性紊亂,它們主要通過抑制輔助性T細(xì)胞17起作用。

        2 牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷

        2.1牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷的特點 作為臨床應(yīng)用的理想干細(xì)胞來源,應(yīng)當(dāng)滿足一定的標(biāo)準(zhǔn),如容易獲取、倫理上容易接受、安全的生物學(xué)性能、費用合適及具有近期、遠(yuǎn)期治療效果。牙髓干細(xì)胞具有的特點[21]:來源廣泛、容易取得、無創(chuàng);相對于其他成體干細(xì)胞,分離提取安全、容易;擁有間充質(zhì)細(xì)胞特性同時也具有神經(jīng)細(xì)胞特性,可以分化成為功能神經(jīng)元;具有神經(jīng)保護(hù)作用;能夠長期低溫儲存;倫理上無爭議。

        2.2牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷的理論基礎(chǔ)——體外神經(jīng)分化 作為來源于神經(jīng)嵴細(xì)胞的牙髓干細(xì)胞,已被證明能表達(dá)多種神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)志物,說明其具有向神經(jīng)細(xì)胞分化的潛能,相對于其他類型的干細(xì)胞,其具有更加明顯的神經(jīng)分化能力[11,15]。2004年,美國及瑞典學(xué)者發(fā)現(xiàn)牙髓干細(xì)胞能夠產(chǎn)生多種神經(jīng)營養(yǎng)因子(如神經(jīng)生長因子、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子),能夠促進(jìn)多巴胺神經(jīng)的存活,同時發(fā)現(xiàn)牙髓干細(xì)胞能分化成神經(jīng)細(xì)胞,可應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療[22]。2008年,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在一定的神經(jīng)誘導(dǎo)條件下,牙髓干細(xì)胞能夠形成神經(jīng)元的形態(tài),并在基因及蛋白水平下表達(dá)神經(jīng)元標(biāo)志物,展現(xiàn)出能夠產(chǎn)生與功能性神經(jīng)細(xì)胞相符合的鈉電流能力,甚至把牙髓干細(xì)胞移植至中腦后也發(fā)現(xiàn)其具有神經(jīng)元的形態(tài)及表達(dá)神經(jīng)標(biāo)志物,這些證據(jù)說明牙髓干細(xì)胞具有治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛能[23]。2011年,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在一定的生長因子作用下,免疫熒光及流式細(xì)胞儀檢測發(fā)現(xiàn)牙髓干細(xì)胞很快就表達(dá)神經(jīng)細(xì)胞早期標(biāo)志物(巢蛋白及β微管蛋白Ⅲ),隨后表達(dá)中期及成熟神經(jīng)細(xì)胞標(biāo)志物,同時實時聚合酶鏈反應(yīng)及蛋白質(zhì)印跡檢測也發(fā)現(xiàn)各種神經(jīng)標(biāo)志物明顯上調(diào)[24]。干細(xì)胞修復(fù)脊髓損傷主要通過以下途徑:替代受損神經(jīng)細(xì)胞;通過釋放生長因子促進(jìn)神經(jīng)再生。以上實驗表明,牙髓干細(xì)胞在一定的作用條件下,能夠分化為功能神經(jīng)細(xì)胞,起到神經(jīng)替代作用,同時也能分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子,激活體內(nèi)處于休眠及受損的神經(jīng)細(xì)胞,實現(xiàn)神經(jīng)保護(hù)功能。牙髓干細(xì)胞誘導(dǎo)分化為神經(jīng)細(xì)胞的分子機(jī)制與信號調(diào)控通路尚不清楚。

        2.3牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷的應(yīng)用——動物實驗 目前,脊髓損傷修復(fù)的研究主要圍繞以下幾個方面進(jìn)行[25]:誘導(dǎo)受損的神經(jīng)纖維再生,如直接給予多種神經(jīng)生長因子促進(jìn)其表達(dá),為再生軸突提供橋梁;填充空洞和消除瘢痕組織;去除軸突生長抑制因子、髓磷脂相關(guān)糖蛋白與少突膠質(zhì)細(xì)胞-髓磷脂糖蛋白等抑制軸突生長的因素。上述方法的臨床療效尚不理想,近年來隨著干細(xì)胞研究的發(fā)展及進(jìn)步,干細(xì)胞開始應(yīng)用于神經(jīng)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,并取得了一定效果。牙髓干細(xì)胞作為新的種子干細(xì)胞也開始被應(yīng)用于脊髓損傷的修復(fù)。

        最初,研究者發(fā)現(xiàn)給脊髓半切模型的大鼠移植大鼠牙髓組織,然后通過熒光金標(biāo)記法檢測運動神經(jīng)元的變化,發(fā)現(xiàn)移植牙髓組織的大鼠運動神經(jīng)元存活量顯著高于對照組,約增高115%倍,他們還發(fā)現(xiàn)移植的牙髓組織表達(dá)的膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子顯著增高,表明移植的牙髓細(xì)胞主要通過分泌神經(jīng)營養(yǎng)因子促進(jìn)運動神經(jīng)元細(xì)胞的存活[26]。從Gronthos發(fā)現(xiàn)牙髓干細(xì)胞的存在以來,經(jīng)過10余年的發(fā)展,牙髓干細(xì)胞的研究愈加深入,已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用于組織工程研究,如骨缺損修復(fù)、牙齒的修復(fù),當(dāng)然也包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病[27-28]。2011年有科學(xué)家稱,通過移植未分化人脫落乳牙干細(xì)胞能夠促進(jìn)急性脊髓損傷大鼠功能恢復(fù),發(fā)現(xiàn)移植牙髓干細(xì)胞向神經(jīng)元細(xì)胞及膠質(zhì)細(xì)胞分化及增殖[29]。研究人員發(fā)現(xiàn)移植牙髓干細(xì)胞能夠通過多重神經(jīng)再生機(jī)制,促進(jìn)脊髓橫斷大鼠后肢功能的恢復(fù),作用機(jī)制包括抑制脊髓損傷導(dǎo)致的神經(jīng)細(xì)胞凋亡;通過抑制多重軸突生長抑制因子的作用促進(jìn)軸突的再生;牙髓干細(xì)胞能夠分化成成熟少突膠質(zhì)細(xì)胞,起到神經(jīng)替代作用[15]。從牙髓組織移植治療脊髓損傷到牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷,在動物實驗中均取得了顯著效果,能夠改善動物的運動能力,表明牙髓干細(xì)胞可作為治療脊髓損傷不可或缺的干細(xì)胞來源。在進(jìn)入人體應(yīng)用之前,還需要更多的實驗明確牙髓干細(xì)胞在脊髓修復(fù)中的作用機(jī)制。

        3 牙髓干細(xì)胞庫

        牙髓干細(xì)胞庫的構(gòu)建包括三個步驟:牙齒的收集、牙髓干細(xì)胞的分離及牙髓干細(xì)胞的貯藏。這些步驟簡單而相對無創(chuàng),在低溫貯藏后牙髓干細(xì)胞仍然具有明顯的自我增殖及多向分化能力[30]。乳恒牙替換是一個正常的生理現(xiàn)象,相對其他干細(xì)胞的來源,從牙髓中獲取干細(xì)胞能避免倫理學(xué)爭議。從脫落的乳牙牙髓中分離培養(yǎng)干細(xì)胞用于貯藏,構(gòu)建“牙髓干細(xì)胞庫”是可行的。牙髓干細(xì)胞能分化成多種細(xì)胞,可應(yīng)用于多種疾病的治療,包括神經(jīng)退行性病變、脊髓損傷、糖尿病、心血管疾病、免疫性疾病及骨骼肌肉疾病等。在患者年輕及健康時,貯藏他們的牙髓干細(xì)胞是必要的。牙髓干細(xì)胞庫在發(fā)達(dá)國家應(yīng)運而生。

        世界上第一家牙髓干細(xì)胞庫首先出現(xiàn)于美國,總部設(shè)在奧斯汀的美國BioEden公司,同時在英國及泰國建立了他們的國際實驗室,并且向澳大利亞、俄羅斯、印度及中東地區(qū)進(jìn)行推廣。目前,牙髓干細(xì)胞庫在發(fā)達(dá)國家開始流行。日本廣島大學(xué)成立了日本首家牙髓干細(xì)胞庫,緊接著名古屋大學(xué)也成立了他們的牙髓干細(xì)胞庫。2008年,臺北醫(yī)科大學(xué)與日本廣島大學(xué)合作成立了臺灣地區(qū)首家牙髓干細(xì)胞庫,同年挪威也成立了他們的牙髓干細(xì)胞庫[31]。目前我國的牙髓干細(xì)胞庫正處于開始時期,有待進(jìn)一步發(fā)展。

        4 牙髓干細(xì)胞研究前景

        2004年的調(diào)查顯示,全球范圍內(nèi)接近有600萬脊髓損傷患者,每年每100萬人就有15~40新增病例[32]。2009年時,美國大概有100萬脊髓損傷患者,每年新增1.2萬病例[33]。2010年加拿大的調(diào)查顯示,整個國家約有85萬脊髓損傷患者,每年新增約3700病例[34]。牙髓干細(xì)胞是存在于牙髓組織中的成體干細(xì)胞,可分化形成多種細(xì)胞類型,牙髓干細(xì)胞具有重要的治療潛力。牙髓干細(xì)胞已應(yīng)用于牙齒及顱面細(xì)胞的重建。目前研究認(rèn)為,牙髓干細(xì)胞將有望應(yīng)用到更加廣泛的醫(yī)學(xué)再生領(lǐng)域,尤其是治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病,包括脊髓損傷。牙髓干細(xì)胞分離、提取方便,保存容易,價格便宜,許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立了“牙髓干細(xì)胞庫”[31]。牙髓干細(xì)胞是臍帶血干細(xì)胞的補充,能夠修復(fù)結(jié)締組織、牙質(zhì)組織、神經(jīng)組織及骨組織。作為一種成體干細(xì)胞,牙髓干細(xì)胞避免了像胚胎干細(xì)胞方面的倫理學(xué)爭論[31]。我國應(yīng)當(dāng)嘗試建立自己的“牙髓干細(xì)胞庫”。

        相對于其他干細(xì)胞,目前對牙髓干細(xì)胞的研究較少,起步較晚,還有許多問題需要解決。首先,目前牙髓干細(xì)胞缺乏明確的標(biāo)志物,其分離鑒定難度大;其次,牙髓干細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞的分化機(jī)制尚未明確,還待進(jìn)一步闡明;最后,牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷的時機(jī)選擇、用量選擇及使用部位選擇等需要進(jìn)一步明確。這些問題還需要深入的探討及解決,只有牙髓干細(xì)胞的研究日趨完善,其應(yīng)用于臨床才能逐漸實現(xiàn)。

        5 小 結(jié)

        脊髓損傷治療仍然是世界性難題,干細(xì)胞移植治療帶來了新的希望。作為來源于神經(jīng)嵴細(xì)胞的牙髓干細(xì)胞,更容易分化為神經(jīng)細(xì)胞。多個動物實驗證明,牙髓干細(xì)胞能夠在脊髓中遷移并且分化為神經(jīng)細(xì)胞,改善動物的運動功能[15,29]。然而,牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷仍然面臨著巨大挑戰(zhàn):如何獲取大量性質(zhì)穩(wěn)定的牙髓干細(xì)胞;牙髓干細(xì)胞治療脊髓損傷的機(jī)制;充分的臨床試驗。脊髓損傷發(fā)生后其病理生理過程會出現(xiàn)缺血壞死、細(xì)胞凋亡、炎性反應(yīng),最后導(dǎo)致脊髓空洞或者囊腫形成,因此針對其病理生理特點,牙髓干細(xì)胞聯(lián)合神經(jīng)生長因子或者相關(guān)的細(xì)胞因子治療脊髓損傷可能會取得更加明顯的效果。

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