羊膜上皮细胞作为候选人治疗急性和慢性肺损伤

文摘

急性和慢性肺损伤是一个主要的和不断增长的全球疾病负担。对于许多肺部疾病,伤害是无法弥补的,累人的主机新肺再生的能力,和目前的治疗仅仅是支持而不是恢复。细胞疗法提供许多器官组织再生的承诺。在本文中,我们审查的潜在应用羊膜上皮细胞,来源于胎盘这个词,肺再生。我们讨论他们的可塑性和免疫调节的独特性质,回顾羊膜上皮细胞的实验证据可以预防和修复肺损伤,提供潜在的适用于新生儿,童年和成人肺疾病。是神奇的表明,出生后胎盘可能会提供新的生活以及获得新生命。

1。介绍

慢性肺部疾病,在儿童和成人,是全球发病率和死亡率的主要原因,估计约占全球10%的死亡率(1]。它已经被世界卫生组织估计,到2030年,慢性肺部疾病,主要是由吸烟引起的,职业接触刺激物和污染,将成为全球第三个死亡的最常见的原因(1]。然而,死亡只是冰山的一角。最近的一份经济分析慢性肺疾病的负担在澳大利亚透露,近1 5 40岁以上的成年人患有慢性阻塞性肺疾病(COPD)在某种程度上,这些人拥有先进的疾病的一半(2]。慢性阻塞性肺病的财务成本估计在澳大利亚2008年近90亿美元。此外,慢性肺疾病不仅影响成年人。大约80年,10岁以下儿童遭受慢性阻塞性肺病的发病率。特别是近几十年来围产期保健的进步大大提高了生存的机会非常早产婴儿,主要是通过减少急性呼吸窘迫综合征(RDS)产前皮质类固醇和产后表面活性剂疗法(3,4]。然而,几乎三分之一的这些幸存者慢性新生儿肺疾病发展,所谓的支气管肺的发育不良(桶),随之而来的长期负担的疾病儿童呼吸道功能障碍和神经发育延迟5]。不幸的是,新生儿桶和成人慢性阻塞性肺病都有共同的一个重要特性。没有一个有效的治疗。

因此,这些儿童和成人慢性肺部疾病代表一个重要的和不断增长的疾病负担,没有针对性的干预可能恢复肺功能,从而减少发病率和死亡率。然而,尽管童年和成人慢性阻塞性肺病的原因不同,基本的肺损伤是similar-chronic炎症、纤维化和瘢痕(6- - - - - -8)——的临床结束result-loss功能肺组织是相同的。因此这些慢性肺疾病可能适合再生,这可能是提供细胞疗法。在本文中,我们审查的最新进展placenta-derived细胞的应用程序作为一个潜在的治疗人类的肺部疾病。具体来说,我们将回顾羊膜的独特属性,羊膜细胞对不同模型的肺损伤的影响,探讨可能的作用机制羊膜细胞在肺修复为人体临床试验。

2。独特的治疗羊膜上皮细胞的性质

在第一个国际研讨会placenta-derived干细胞,召集在布雷西亚,意大利2007年,胎盘细胞的两个关键属性,使他们对再生医学的吸引力强调:可塑性和免疫调节(9]。人羊膜上皮细胞(hAECs)的一个子集placental-derived干细胞显示这两个关键特性,或许,拥有优势的其他人群胎盘干细胞的细胞组织。首先,羊膜本身来源于原肠胚形成前胚胎外胚层。这是很重要的,因为细胞来源于外胚层原肠胚形成之前被认为保留多功能内存或可塑性,反映出能力的外胚层分化成外胚层,内胚层、中胚层的胚胎。因此,至少从理论上讲,羊膜细胞应该有能力分化每个主要沿袭下来。在过去6年左右的时间,我们和其他人来说,仔细描述人类羊膜上皮细胞(hAECs)定义单元类型和询问他们是否共享任何转录因子可能带来pluripotentiality与胚胎干细胞。首先,细胞从羊膜分离膜通过简单消化基本上是完全上皮细胞(10]。这些人类羊膜上皮细胞(hAECs)不表达间充质或造血的细胞标记和不同细胞来自羊水midpregnancy(月初10- - - - - -12]。区分羊膜membrane-derived羊膜上皮细胞、羊水干细胞,前者是一个纯粹的上皮细胞,而后者是一个人口混合间充质细胞群,基质和上皮细胞。这种差异是很重要的要记住当评估可能的治疗和再生医学应用的每一个细胞群,将在稍后讨论。然而,尽管hAECs都是上皮细胞仍然是一个异构的上皮细胞与不同的细胞标记表达式。重要的是,这些细胞谱系标记包括早期的“干细胞”标记,如经营领域,5类,转录因子,Nanog同源框;SRY-2盒子,stage-specific胚胎antigen-4 (SSEA4) [10,13]。例如,在一个报告的44% hAECs SSEA4表示,5 - 15%的细胞表达Oct-3/4,表示Nanong和/或Sox-2 [5 - 15%10]。与这类早期谱系标记的表达一致,hAECs分化曲目已经得到证实在体外使用各种技术(采用免疫表型、mRNA表达,和/或超微结构特征),证明hAECs来源于胎盘膜可以成功地分化成cardiomyocytic, myocytic, osteocytic, adipocytic(中层),胰腺,肝,肺(内胚层的),神经,和星形细胞(neuroectodermal) (13,14]。关于肺,hAECs mRNA表达甲状腺转录因子或Nkx 2.1,最早的谱系标记发展中必不可少的肺肺分支形态发生和II型肺泡细胞形成14]。

然而,尽管hAECs表达许多早期干细胞的标记,它们不像胚胎干细胞无所不能。实际上,有许多关键hAECs和胚胎干细胞之间的差异表明,hAECs可能更适合于临床应用。例如,与胚胎干细胞(ESCs)和人类诱导多能干细胞(IPS)细胞系(15,16],hAECs并不会形成畸胎瘤,当注射到小鼠的睾丸有严重联合免疫缺陷(SCID) [13,17)和他们保持正常核型和细胞周期分布与端粒稳定长时间在体外使(10]。这些观察表明,hAECs更有限的多能性显示,相比之下,ESCs或“诱导多能性”细胞,将带来更少的风险在活的有机体内比其他干细胞移植后肿瘤形成。此外,hAECs表达没有,或者很少,类IA和二类人类白细胞抗原(hla) [13,18]。事实上,在怀孕期间可能反映它们的功能,hAECs表达人类白细胞抗原G (HLA-G)免疫抑制特权授予一定程度的免疫抑制NK细胞,诱导激活CD8细胞凋亡⁺t细胞和抑制CD4⁺T细胞增殖(18,19]。这些发现符合促进孕产妇胎儿同种异体移植物的公差(包括其膜)人类怀孕的9个月。这些属性也可能表明组织排斥当治疗的低风险。到目前为止,这的确显得真实。异种器官移植后免疫主管hAECs可以生存很长一段时期猴子、兔子、几内亚猪,老鼠,和猪没有immunorejection,虽然没有证实在活的有机体内分化(19- - - - - -22]。在一项研究中hAECs移植到新生儿猪和老鼠导致人类微嵌合体在各种器官和组织免疫间隙(19]。此外,hAECs注入健康志愿者没有引起任何临床症状的急性排斥反应和接受者没有产生抗体HLA抗原(23]。然而,尽管未分化hAECs不表达hla,除了HLA-G,看起来像他们区分,至少在体外免疫特权,这个国家可能会丢失。例如,最近我们表明,分化成肝和胰腺血统后,大量hAECs开始表达类IA,但不是二类HLA (13]。这一发现为未来细胞移植的临床意义尚不清楚,但表明,细胞分化在体外移植前可能不太适合同种异体的使用比主要的未分化细胞。稍后我们将讨论这一主题。

3所示。肺内源性干细胞

任何讨论stem-cell-mediated肺修复之前,它是有用的区分外源性干细胞的角色和活动,如hAECs、内生肺癌干细胞的居民。虽然非常缓慢的自然流动的肺和支气管上皮细胞和肺的多个不同的解剖区域(肺癌干细胞的鉴定困难的24- - - - - -26),不同的居民已确定肺干细胞或祖细胞(27,28]。人们认为这些祖细胞领域提供了特定的修复机制的不同部分呼吸道和不同的损伤可能引发微分响应从各种祖细胞的数量25,27,28]。具体来说,不同的祖细胞已确定在近端气管,支气管,bronchioli, bronchiolar-alveolar结,肺泡(24,25,28]。这些不同的肺部祖/干细胞,专门nonciliated气道上皮细胞叫做克拉拉细胞,或变种克拉拉细胞,对气道损伤通过补充纤毛上皮,尤其是bronchioli bronchiolar-alveolar结,而肺泡II型(ATII)细胞被认为是肺泡修复机制的原则(25,26,28]。关于肺外源性干细胞和修复,内生“居民”肺部祖/干细胞可能是重要的。稍后将讨论,虽然最初认为影响肺外源性干细胞修复受损上皮和区分融入到肺细胞,它更有可能的是,他们修复效果的主要机制是通过免疫调节(29日),通过支持肺内源性干细胞活动。的确,而肺包含自己的居民人口内源性干细胞,人们认为他们的再生努力变得筋疲力尽时严重受伤,导致急性和慢性呼吸道尴尬。正是这个特性,使得肺外源性细胞疗法的特别接受器官。

4所示。羊膜和肺损伤模型

第一个报告的使用羊膜细胞修复肺损伤是由Carraro和他的同事30.]用羊水干细胞(hAFSCs)获得在midpregnancy羊膜穿刺术。他们评估了这种混合的细胞,包括hAECs,其他上皮细胞和间质细胞对其修复能力在两个不同的肺损伤的小鼠模型。首先,他们证明hAFSCs可以嫁接到老鼠胚胎肺外植体在体外并分化成lung-type细胞,就是明证甲状腺转录因子1的表达(TTF1)。然后,评估hAFSCs修复肺泡肺损伤他们的能力管理细胞小鼠后短期氧过多。hAFSCs迁移到远端肺并表示TTF1和II型肺泡细胞产品表面活性剂蛋白c .接下来,hAFSCs是对经历了萘的老鼠注射肺损伤。克拉拉细胞航空萘目标。与氧过多肺泡损伤模型,hAFSCs贩卖到支气管肺泡结injury-this时间的网站,而不是表达的肺泡和支气管分布kDa 10克拉拉细胞蛋白质。第一个报告强调从羊水细胞的两个关键属性:追踪特定网站的损伤的能力和他们的可塑性反应具体地说肺的侮辱的性质,区分成受伤的细胞类型。重要的是,尽管这些细胞的起源来自一个混合人口羊水隔绝,细胞已经按c - kit positivity-a干细胞笔和来自克隆文化进一步选择干细胞的行为。因此,这是不足为奇的细胞多能性显示。然而,在这两种损伤模式有受伤的改进的证据。这表明,集成和分化在活的有机体内不足够的外源性干细胞修复效果。此外,翻译这个细胞疗法临床实践中可能会有一些限制。羊膜穿刺术的细胞来自羊水,选择c - kit表达,然后扩大通过克隆分离和纯化。这样的来源是不可能准备好了足够的细胞来源广泛的应用,因为羊膜穿刺术是一种侵入性手术流产的风险。不太可能怀孕妇女将准备让他们为别人的好处此类风险。它也不太可能足够数量的细胞可以被派生的广泛应用,虽然扩张将是可行的。

利用胎盘从术语出生完全是一个策略来规避这些问题。Cargnoni和她的同事(31日)移植混合人口胎儿membrane-derived羊膜和绒毛膜细胞同种异体和异种的(hAECs人类间充质细胞50%,50%)的来源,一个鼠博来霉素成人特发性肺纤维化(IPF)的模型。重要的是,与羊水衍生Carraro和他的同事们使用的细胞,这些细胞Cargnoni所使用的主要细胞,没有选择c - kit表达或克隆活动。博来霉素产生许多IPF的组织学特征如intra-alveolar味蕾,壁画的胶原蛋白,闭塞的肺泡空间(32]。两个同种异体混合主细胞和异基因的人群,管理系统或腹腔内,明显减轻肺纤维化相似程度和减少中性粒细胞浸润,IPF的重要预后因素。持久性的细胞群中检测出政府证实移植肺14天后,虽然没有证实分化成肺表型。事实上,目前还不清楚如果移植是必不可少的治疗效果。同一组早前表明微嵌合体的肺在腹腔内注射后90天只有PCR类似的细胞异种的人口。发现表明,移植的意义在第二项研究可能是适度的(19,31日]。

扩展这些早期的报道,Moodley和他的同事们(14)也使用博来霉素在SCID小鼠肺损伤模型,目的是研究肺细胞表型的分化更多细节。在这项研究中一个纯粹的主要人口,没有hAECs来源于胎盘膜使用。首先,小学未分化hAECs培养在小气道增长媒体(SAGM),脐带间充质细胞的诱导分化和胚胎干细胞II型pneumocytes [33,34),探索hAECs是否可以直接下一个肺泡上皮表型血统。经过长时间的文化SAGM, hAECs似乎部分分化成肺细胞,产生表面活性剂蛋白A, B, C, D和超微结构的层状的证据显示身体,II型pneumocytes的细胞器。此外,这些细胞对糖皮质激素触发和能够分泌表面活性剂D [14]。这些特性在新鲜分离hAECs在场。主,未分化hAECs(缺乏蛋白质表面活性剂)也被注入了静脉注射博来霉素治疗SCID小鼠和被证明灌输和生产所有蛋白质表面活性剂(14]。这表明一个初级hAECs分化成肺细胞的能力在活的有机体内类似的观察由Carraro选择和纯化羊膜细胞(30.]。但是,与羊水衍生细胞,hAEC管理显著降低bleomycin-induced肺纤维化和炎症(14]。具体来说,促炎细胞因子水平降低(单核细胞chemo-attractant蛋白1,肿瘤坏死因子-α,il - 1和il - 6)和抗炎细胞因子(il - 10和巨噬细胞迁移抑制因子)增加。细胞因子的表达profibrotic转化生长因子也减少了hAECs管理。符合这些细胞因子的变化、肺胶原含量减少,据报道,增加行动的结果的矩阵组织抑制剂的矩阵metalloproteinase-1 metalloproteinase-2和下调和2符合肺修复。hAECs似乎也减少了纤维化在一群老鼠,减少胶原蛋白内容确认的延迟政府hAECs两周后,博来霉素的侮辱。综合研究表明,一个纯粹的人口主要hAECs来源于词完成怀孕后胎盘有能力阻止和修复博来霉素所致急性肺损伤。作者表明,宿主的细胞产生这些影响通过调制响应受伤在活的有机体内分化(14]。

然而,尽管后来的研究已经证实hAECs的伤害预防能力,他们有些怀疑hAECs效应的机制。使用博来霉素模型的肺损伤,墨菲et al。29日先进管理领域的一个纯粹的人口未分化hAECs免疫能力,而非免疫妥协,老鼠。在这项研究中,腹腔内管理hAECs博来霉素后24小时管理减少肺纤维化,减少胶原蛋白沉积和alpha-smooth描写就是肌肉的肌动蛋白,和减少肺部炎症和促炎细胞因子的表达29日]。移动一步,这是第一次研究证明结构肺损伤的缓解hAECs与生理肺功能的部分恢复,所评估的整个身体体积描记法。然而,与以前的研究都在免疫妥协mice-Murphy和他的同事们无法证明任何移植的hAECs肺(29日]。在此基础上观察,一些怀疑是hAECs可能的可能机制(s)工作。

5。的作用机制hAECs:移植和免疫调节

公平地说,目前仍有一些不确定性的主要机制(s) hAECs影响肺损伤预防/维修。具体来说,是否在活的有机体内移植和分化是必要的还是调制主机响应的损伤,减少炎症和纤维化,无论是直接还是间接的,是关键。在这个阶段看来,后者更有可能。我们最近的报告29日)证实了hAECs可以发挥修复作用不需要移植或分化和Carraro和他的同事们的工作表明,移植和分化本身没有足够的伤害预防/修复[30.]。关于是否研究之间的明显不一致在活的有机体内集成和分化hAECS受伤后实际发生可能的解释方法用于识别hAECS在活的有机体内。墨菲et al。29日)选择fluorescence-activated细胞分类(流式细胞仪)和控制应用于排除死细胞检测只活居民人体细胞。先前的研究依赖于PCR或原位人类DNA杂交和免疫组织化学。这后一种方法都无法辨别生活从死细胞14,30.,31日),所以这些研究可能只是报告死细胞。当然,这并不能解释在活的有机体内表面活性剂蛋白表达鉴定hAECs [14]。尽管如此,我们已经表明,损伤的主要机制修复在他们的研究可能是旁分泌信号周围组织,以减少促炎和profibrotic介质(29日]。这与先前的报道是一致的有益影响的羊膜细胞分化尚未得到证实,如脑缺血、帕金森病、脊髓损伤、心肌缺血、严重的肢体缺血,烧伤和皮肤伤口(20.,35- - - - - -39]。

抗炎和anti-fibrotic因素的确切身份可能发布的羊膜细胞仍有待阐明。然而,眼科文献描述了一段时间的有益作用羊膜通过减少角膜溃疡介导HLA二级网站的抗原呈递细胞损伤,减少细胞凋亡和炎症(40]。这个文献表明hAECs能够抑制中性粒细胞和巨噬细胞的趋化迁移的损伤,可能通过MIF和il - 1的抑制α,il - 1β和蛋白酶41),类似于Moodley所示et al。14]。事实上,hAEC-induced抑制巨噬细胞和中性粒细胞迁移到受伤的肺已经一致的发现(29日,31日]。这是支持的观察,hAECs减少巨噬细胞迁移在体外(42]。,hAECs调节巨噬细胞和/或中性粒细胞迁移可能是重要的在肺损伤中,因为两个巨噬细胞(43和中性粒细胞44调解这种损伤中扮演很重要的角色。在这方面,最近我们发现hAECs无法减轻bleomycin-induced在SP-C小鼠肺损伤42]。这种老鼠是已知缺陷的巨噬细胞与巨噬细胞功能无法开关从M1 (pro-fibrotic)表型M2(修复)表型。我们建议这个观察符合hAECs施加通过巨噬细胞而不是直接修复的影响(42]。

当然,hAECs也可能通过其他机制运作。例如,他们表达抗炎il - 1受体拮抗剂,il - 10,胶原蛋白十八,血小板反应蛋白- 1和所有四个组织金属蛋白酶抑制剂(TIMPs) [45]。白细胞的细胞凋亡报道和hAECs表达凋亡诱导基因Fas L, TNF,小道(41,46]。此外,有证据支持一个anti-angiogenenic影响通过血管内皮抑制素的释放,TSP-1 TIMPs和抗菌蛋白乳铁蛋白(47]。这些途径的相对贡献羊膜细胞介导组织修复显然需要大量的工作。

与纤维化,人类角膜缘的成纤维细胞种植在基质表面显示的羊膜TGF监管β信号系统与降低TGF的表情β1,β2,β3亚型和减少表达TGF-Receptor II防止成纤维细胞活化成myofibroblasts [48]。此外,羊膜也能够扭转已经分化myofibroblasts回成纤维细胞表型,这可能是特别有用的改善更成熟的疾病(49]。自TGF -β信号在肺纤维化中起着核心作用[50]hAECs减少TGF -的能力β信号和防止成纤维细胞活化可能是一个重要的效应机制在他们赔偿的性质。

6。对临床试验

之前hAECs可以有效地转化为未来的细胞治疗肺损伤的问题需要解决。将是有用的抗炎和antifibrotic信号通路的身份为特征。是可能的,这些途径可以操纵药物而不是迫使细胞交付。这样,hAECs的修复能力将会被用于开发新的药物疗法通过揭示了关键路径,需要目标。然而,这种努力将会提供相当大的和更直接的治疗可能是简单的管理单元。如果是这种情况,那么它也有必要确定最优移植细胞类型,不管是未分化的hAECs, hAEC-derived部分肺祖细胞分化,或者甚至是一个混合的细胞群。正如前面详细的,hAECs用于研究迄今为止已经没有选择,上皮细胞的主要电路异构人口。这是可能的,只有一个子集的这些细胞修复,通过识别和净化这些细胞再生疗法可以开发更有效。当然,也有可能是异构的人口自然疗法的关键属性,提供多样化的细胞进行不同角色在不同阶段的组织injury-repair-resolution。如果这是然后纯化细胞各亚群可能更少,而不是更多的,有效的。 It is also unknown whether both undifferentiated and partially differentiated cells equally effect immunomodulation. This would be important to define before embarking upon clinical trials. From a pragmatic perspective, regulatory authorities are more likely to approve primary, unmanipulated cells than cells that have undergone extensive purification, selection, and differentiation. However, if differentiated cells are more effective then these should form the basis of future therapies.

有关监管部门的批准和细胞处理,它还将为未来的研究有必要遵守良好生产规范(GMP)流程适用于临床使用,作为已被描述10,51),容易确保标准化和临床适用性前进。应该hAECs证明有用的临床,银行这样的标准化将细胞的基础。我们相信,尽管自体使用hAECs可能提供一个安全的第一步应用程序,例如在早产儿bronchopulomonary发育不良(26),最终广泛使用hAECs需要生物资料库的开发高质量的细胞对同种异体的应用程序中,最有可能在一个α诊所设置(52]。诊所和细胞银行将是必要的,因为大多数患者没有自己的羊膜细胞存储。

最后,可能最重要的是,到目前为止,所有的研究进行管理hAECs早期肺有害的过程中。没有全面评估hAECs是否能够修复建立和长期存在的肺损伤。这显然是至关重要的,因为细胞治疗肺部疾病最常见的临床应用将是那些患有慢性,建立和广泛的肺损伤。这就是当前临床负担谎言和当前治疗极其失败的地方。

7所示。结论

毫无疑问,急性和慢性肺部疾病需要新的治疗方法。临床前研究表明,羊膜细胞能够减少纤维化和炎症,从而改善肺功能。然而,几个问题仍未得到解答,包括是否这些细胞是如何工作的,是否有最有效的亚种群的细胞,和羊膜细胞是否能够修复建立疾病。我们确实是希望出现在母胎界面的免疫调节音乐会在怀孕期间可能很快扩展长出生后提供新的治疗慢性肺部疾病的患者。

确认

作者的研究经费支持澳大利亚NHMRC(项目赠款# 491145和606483年),澳大利亚囊性纤维化研究信任,和维多利亚时代的政府运营基础设施支持计划。

引用

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