文摘
间充质干细胞(msc)多功能细胞,组织损伤后再生过程中是不可或缺的。msc被雇来通过一些化学引诱物受损区域通路,他们作为“演员”在治疗过程中分泌的多种职业,抗炎,抗菌,pro, anticoagulatory和营养/血管生成因素,还通过增殖和分化成所需的细胞。另一方面,msc代表“目标”在严重创伤后的病理生理条件下,当过度产生的炎症介质,补体激活因素,和损害,其分子模式挑战msc和改变它们的功能。这反过来导致补体调理素作用,溶解,由巨噬细胞间隙,减少迁徙高潮在受损的组织修复和再生能力。我们总结有关细胞和信号机制和对未来承诺提供一个最新的概述MSC治疗策略中严重的组织损伤。
1。间充质干细胞:多方面的成人干细胞群
间充质干细胞,也称为多能间充质基质细胞(msc),先从骨髓中分离和特征与multilineage nonhematopoietic干细胞群间叶细胞分化潜能(1,2]。随后,描述了MSC-like表型的细胞各种新生儿(例如,脐带、胎盘和脐带血)和成年组织(如脂肪组织、滑膜、软骨、骨、皮肤、肌肉、肝脏和肺)(3- - - - - -6]。功能特性的细胞群似乎在一定程度上取决于组织来源(5]。此外,msc被归因于混合发展起源(6]。MSC以来得到了快速增长的兴趣在再生医学治疗工具或目标细胞治疗的国际社会提出以下最低标准定义MSC:(1)坚持塑料,(2)表达模式的几个表面标记(正面:CD73, CD90、CD105;负面:CD45、CD34、CD14或CD11b CD79alpha或CD19和HLADR的表面分子),和(3)成骨、脂肪形成的,和chondrogenic分化潜能(7]。这些最低标准清晰地定义异构与广泛分布在体内细胞群5]。然而,他们迄今为止大多数研究中使用。从更严格的意义上讲,cd146皮下细胞从骨髓已经被提议作为单独使用,自我更新的多功能骨骼也支持造血干细胞(8]。除了高增殖能力[1)和应对chemoattractive迁徙活动因素(9)分化潜能等多种间充质血统成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、tenocytes,肌肉细胞(10)或某种分化转化能力(11),例如,为神经细胞(12)或肝细胞(13),再生医学的背景吸引了很多兴趣。最初的概念被移植msc可以再生组织和分化为相应的组织细胞。后来是公认的MSC可以另外支持再生流程通过分泌营养因素和免疫调节活动(14- - - - - -16]。这些协同功能的相对贡献并不明确,可能取决于人口参与MSC的起源,各自的靶组织,组织损伤的严重程度和类型,和当地和系统性炎症反应的程度。
2。多发伤:多方面的挑战
多发伤被定义为两个或两个以上的伤害(多个受伤)和至少一个伤害或伤害的总和是危及生命(17]。多发伤的病理生理后果极其复杂且不能反映单独受伤的总和,而是一个独特的全球所有器官(放大的挑战18]。甚至远程组织主要是没有受伤成为系统性风险应对各种病原体的影响和危险分子模式往往导致全身炎症反应综合征(SIRS),败血症,最后多器官功能障碍综合征(插件)危及生命。因此,多发伤可能原则上任何器官和单个细胞转变成“演员”驾驶的危险反应创伤后从而增加了组织损伤提出了“第二次打击。”随后,理论上所有细胞可能也使变形“目标”的危险的反应,特别是每炎症反应,凝结的回应,补充攻击,氧化反应,细菌侵入,等等19]。多发伤的多方面的细胞反应还包括细胞与msc等生理再生潜力高。严重创伤后msc可能受到细胞招聘之间的平衡和免疫调节促进愈合和失活和死亡与产生障碍或缺乏足够的治疗。虽然是罕见的临床数据,越来越多的实验证据表明,这些MSC函数的相对贡献是至关重要的对于理解MSC在调停复苏的作用(或缺乏)的上下文中多发伤。
3所示。多发伤后招聘msc
对再生过程的起始msc是至关重要的。数量不一致的循环细胞已发现在实验和临床创伤设置(20.- - - - - -23),他们的导航行为骨髓或迁移到受损组织仍然是难以捉摸的。此外,骨骨髓来源msc显示增强的增殖能力,在某种程度上依赖于创伤的严重程度(24]。trauma-triggered动员骨髓msc的可能是由于缺氧(25),各种危险分子模式(例如,抑制组蛋白和线粒体碎片),和化学引诱物(例如,[26]),所有这些都严重受伤后生成的。当从暴露于创伤反应的重要介质,如il - 1β、il - 6、引发C3a和C5a(浓度对应于那些以多发伤患者的血),msc展出活动增加的趋化作用。特别是中央补体激活产品C3a能够显著提高他们的迁徙活动(27]。同样,过敏毒素C5a被发现是msc在高等化学引诱物浓度(28在受伤部位),这意味着补体的激活可能会导致对MSC的强烈趋化信号招聘。然而,其他因素也使msc建立迁移对受伤的地方:他们已经迁往骨折显示网站target-specifically针对可溶性介质包括趋化因子基质细胞衍生因子- 1 (SDF-1) [29日]。粒细胞集落刺激因子(g - csf)代表另一个强有力的MSC动员因素。严重创伤患者,g - csf最近被证明是调节超过50倍甚至更高的一个额外的出血性休克(30.]。反过来,g - csf可能不仅动员msc还诱导骨再生反应,例如,骨形成protein-2表达增加,生长分化factor-9, il - 10,引发,节点生长分化因子,最近在体外(31日]。在创伤,lysophosphatidic酸(LPA)、生物活性磷脂,已经证明发挥病因病理生理作用[32]。有趣的是,LPA也是已知的有效动装置MSC (33]。进一步炎症介质后生成多发伤(19),如肿瘤坏死因子(TNF)、巨噬细胞移动抑制因子(MIF)和细胞外HMGB-1(高机动组框1)作为一个关键的潮湿,有效的招聘人员在msc受伤的网站(33]。
不过值得注意的是,几乎所有的组织都是家住宅MSC-like细胞施加受伤后可能发起的独立组织再生甚至尽管另外招募了msc。在这方面,最近的一项研究未能检测到msc在人类血液循环条件下如终末期肾脏或肝脏疾病或在心脏移植排斥反应,从而提出骨髓破坏引起的多发性骨折而不是实体器官损伤可能是骨髓间充质出现在循环的原因(21]。
是至关重要的msc不仅动员受伤的组织,而且还能够充分区分到达。然而,多发伤后MSC分化机制很少研究。我们和其他人提出C5a-C5a受体(C5aR)互动参与成骨分化自C5aR越来越表示为人类msc分化成骨细胞(34,35]。此外,改变C5aR表达谱在分化强烈依赖于尿激酶受体(uPAR)和NF -κB通路,表明uPAR-C5aR-NF -κB信号级联控制成骨分化msc (35]。除了msc、cd34多祖细胞也被认为是成骨的主管和内皮分化,和他们的数量在流通也有报告称,提高严重创伤后7天(36]。
4所示。msc作为演员在创伤之后
不管他们的起源、迁移和居民msc被认为可持续调节创伤后局部和全身炎症反应和诱导和控制在受损组织再生过程(图1)。msc创伤后的主要人物出现多种多样,可能包括促进经济增长,凋亡,抗炎,抗氧化,抗菌,和其他特性作为单一最近全面综述了急性器官损伤(37]。然而,结合上下文中的创伤(例如,组织创伤和出血性休克)和多发伤,仍有不确定性的msc的行为。
它建立了msc是有效的抗炎演员。在实验多发伤,骨髓MSC应用抑制LPS-associated急性肺损伤(ALI)和底层TLR2/4 upregulation肺内,显著改变了促炎细胞因子抗炎细胞因子(38]。
接触il - 1的mscβ发现在多发伤后早期血清浓度导致生成和释放metalloproteinase-1(金属蛋白酶- 1),肿瘤坏死factor-inducible基因6 (TSG-6) cyclooxygenase-2,和前列腺素E合成酶,所有这些作为创伤后反应的关键免疫调制剂(27]。此外,il - 1β——TSG-6由msc可以开关促炎M1代巨噬细胞表型向,而抗炎M2巨噬细胞表型,从而改善伤口愈合(39]。
Polytrauma-induced大量激活和随后的凝固和补充系统的功能障碍(40)也可以确定MSC的行为。凝血酶分子作为中心凝固后的激活凝血级联多发性损伤导致的扩张通过protease-activated受体- msc (PAR-1) Akt介导的信号和随后的健壮upregulation原癌基因(41]。当接触到激活的关键产品相关的补充系统,C3a,初浓度测量多个受伤后,msc显著调节血管生成因素,如血管内皮生长因子(VEGF)、CXCL8 /引发,但也il - 6。反过来,这些因素诱发在体外小管形成内皮细胞表明angioneogenesis [42]。
来源于msc的骨头也表现出先天procoagulatory活动最有可能基于组织因子(TF)表达的msc、导致凝血增加,降低纤维蛋白溶解,微血管障碍(43)这可能反映条件中发现晚期急性伤害引起凝血障碍。关于血小板凝血过程中,血小板源生长因子(PDGF)和其他platelet-originated产品能够诱导msc扩张体外。在严重创伤的设置、血清PDGF-AA和PDGF-BB水平与msc的数量获得从受伤的病人的骨髓23]。与其他报道,这项研究没有显示显著增加骨髓MSC的归巢,也大量招聘的MSC外周血观察严重受伤后,无论创伤的严重性。然而,多发伤患者血清诱导MSC增殖PDGF-associated的方式(23]。
关于补一代,msc事实上表达各种补体受体,如C3aR C5aR, (44],他们能够感觉过敏毒素chemotactically活跃。此外,msc也能产生关键的补充成分,如C3和C5 (34卵裂后],因此通过各种激活凝血因子可能生成的过敏毒素C3a ca5的,两者都可以诱发所有经典的局部和全身炎症的迹象后发现严重的组织损伤。事实上,msc被发现补充催化剂在接触ABO-matched人类血液导致生产C3a反过来支配msc的免疫调节特性和与其他免疫细胞的相互作用45]。
msc的进一步行动机制受伤后期间,缺氧trauma-hemorrhagic冲击不仅可能支持保护未分化的msc还可能增加他们的再生潜力而且可能激活缺氧诱导因子- 1 (HIF-1) msc进而导致增加VEGF的表达对新血管形成25]。
是否所有这些msc将直接的影响细胞行为,细胞因子的分泌,或者从msc(部分)微泡棚是未知的。细胞外MSC囊泡已被证明能够防止低氧诱导急性肾损伤。有趣的是,当MSC-derived囊泡中生成一个模拟炎症micromilieu,微泡包含tetraspanins未能逆转肾损伤。相反,有效的微泡起源于C3否则未经处理的msc包含补充因素,C4A, C5 (46)可能进一步协助细胞招聘和诱导再生过程(47,48]。
旁分泌和内分泌功能的msc最近越来越多的重点研究[49]。除了inflammation-modulatory功能,msc似乎也影响内皮和上皮通透性导致肺泡液体(一个增强的间隙50]。这可能是特别重要的polytrauma-induced blood-organ屏障功能障碍和相关的多器官功能障碍综合征。在这种背景下,小鼠多发性损伤模型和多发伤患者,我们最近发现的证据紧密连接分子,联接的附着力molecule-1 (jam),循环血液中(51]。在啮齿动物缺血再灌注(I / R)损伤模型,肠系膜上动脉、骨骨髓来源msc充当zonula-occludens-1抑制剂和紧密连接的破坏通过差别(ZO-1)对这些TNF-controlled机制(52]。这些观察结果支持msc的想法改善严重的组织损伤后细胞屏障功能至关重要。
5。msc创伤后作为目标
除了他们的函数作为“催化剂”和“抑制”的系统性炎症反应创伤后,msc具有广泛的免疫攻击的防御机制。因此,他们似乎提供了一个重要的“目标”细胞免疫系统经过多次受伤(图2)。
procoagulatory表面主要由组织因子(TF)表达在msc (43)使这些细胞的潜在焦点纤维蛋白生成和后续有效的细胞固定化。这个过程也可以支持表达式的纤溶酶原激活物抑制剂1 (PAI-1) msc (53]。作为一个潜在的防御机制对这种纤维蛋白“包覆”,纤溶因子(例如,uPAR)表达在msc (53)与各种释放蛋白酶可能放荡任何纤维蛋白血栓。
msc代表补充攻击的主要目标。丰富的沉积的C3碎片iC3b和C3dg msc,从而调理素作用的msc暴露ABO-matched外源的人类血液被发现(45]。来抵消有害补充攻击和调理素作用msc表达各式各样的膜结合补体调节蛋白(CRegs),如合格(CD59)衰变加速因子(CD55),辅助因子和膜蛋白(CD46) [34]。此外,msc还释放因子H导致直接抑制C3乳沟和调理素作用54]。然而,尽管这些强有力的补充抑制策略,联系msc与血清(例如,多发伤后提供的大量输血)可能压倒这些防御机制,导致serum-induced细胞毒性(55]。小鼠实验,过继转移MSC在小鼠缺乏C3或C3损耗(通过眼镜蛇毒因子)表现出显著降低MSC受伤在活的有机体内msc在野生型小鼠相比55]。这些发现表明补体抑制策略在msc是至关重要的生存和创伤后再生这些细胞的潜力。所有的上述CReg蛋白质白细胞是多发伤后早期特异表达在人类56]。可能也在msc、CReg盾可能被打扰后多个受伤,因此可能将msc变成致命的补充攻击的目标。
循环组蛋白和线粒体被确认为抑制的病人严重的组织损伤后(57- - - - - -59),诱导一个健壮的炎症反应。此外,MSC决心包括分化命运似乎是至关重要的是依赖histone-modifying酶和多种转录因子(60]。因此,它很容易推测,多发伤条件可能操纵组蛋白签名,从而扰乱msc的再生潜力。然而,进一步的研究来阐明潜在的机制。
接触trauma-released线粒体,线粒体DNA碎片(59导致toll样受体(TLR)激活在MSC反过来可能导致一个antagonization MSC分化成特定的组织(61年]。因此,线粒体抑制可能大大改变MSC增殖和分化,可能影响MSC multipotency [61年),最后导致一个受损或改变严重的组织损伤后再生。
是很重要的考虑,直接多发伤后,有一种强烈的应激反应导致了一个广泛的内源性儿茶酚胺的释放,包括肾上腺素和去甲肾上腺素。有趣的是,激活相应的β肾上腺素能受体在msc导致抑制其分化潜力62年]。另外在多大程度上应用外源性儿茶酚胺(如去甲肾上腺素),给稳定血流动力学函数,将危及组织再生抑制MSC函数或分化具有重要的临床兴趣和需要澄清在未来转化研究。
6。msc在多发伤的治疗潜力
6.1。当前的挑战
一个主要的挑战是众多的转移在体外发现多方面的MSC函数的相关和可靠的临床前研究最后翻译临床设置。最优MSC源(如骨髓、脂肪组织和脐带),创伤后的时间,管理路线,应用细胞的数量仍然被定义为多发伤的情况。此外,可能的免疫抑制功能的MSC polytrauma-induced受损免疫情况可能增加的风险威胁生命的感染。显著地,急性创伤情况不允许的时间和组织消费程序细胞隔离,表征,扩张呈现一种自体MSC移植策略问题。此外,社会经济因素与高物流需求(包括质量/ GLP-conform MSC准备),高成本和高可变性的个人伤害模式目前防止广泛的MSC在多发伤患者治疗平台。
6.2。取得的进展
然而,各种临床前研究已经解决了MSC在单一的治疗潜力不同组织和器官的损伤模型(37,63年]。这些实验方法包括物理创伤皮肤(39,64年],肌肉[65年[],骨骼组织66年,67年)、肺(68年,69年),大脑70年- - - - - -72年),和脊髓(73年),都是经常影响多发伤患者(2013年年度报告,TraumaRegister DGU®)。此外,他们的治疗效果在特定的病理生理情况下经常在多发伤患者,例如,脓毒症(74年- - - - - -76年),研究了。在大多数情况下,治疗策略是基于msc作为“演员”的概念由局部或全身性细胞移植。这些研究大部分monotrauma模型显示疗效,虽然绝对数量的移植细胞系统网站招募受伤伤害或生存的地区局部注射后相当低。因此,报道治疗效果主要是归因于营养因子的释放和免疫调节14]。在老鼠身上,系统性应用同种异体msc导致有限的本地招聘和刺激骨形成评估μCT分析骨折模型,而没有重复的机械刺激引起的添加剂对骨形成的影响(67年]。这表明创伤情况下,最有可能的创伤后炎症反应,触发此功能。由于各自的环境极大地依赖的程度和组合不同的创伤性损伤,polytraumatized病人的情况可能会有很大不同。到目前为止,只有少数研究解决这个高度相关的临床情况。胸外伤发生经常结合其他伤害和多发伤死亡率是高度相关的。有趣的是,胸部创伤的过程也会影响骨折愈合等损伤大鼠(77年,78年]。另一方面,在同一物种,由此导致的肺组织学改变由平行出血性休克或慢性压力加剧。系统注入同种异体的MSC在雄性小鼠肺损伤评分减少肺挫伤出血或慢性压力(79年,80年)和恢复干扰骨髓功能特点是骨髓细胞的克隆生长和持续的贫血79年,81年]。在这些模型中,MSC应用程序也增加了调节性T细胞的相对量(79年,80年]。即使在最受损情况合并肺挫伤、出血性休克、慢性压力,MSC治疗被证明是有效的(82年]。以来,这种情况下更像多发伤设置在人类患者,治疗受益通过未来的应用msc可以预期。在另一项研究中,在多个骨折被结合在大鼠出血性休克,系统性MSC应用改进的体重增加,身体活动,肌肉萎缩,骨折骨痂组织学(83年]。在多发伤的情况下,由于血管损伤和低血压,长时间的各种器官的缺血可能是另一个关键因素。在这种情况下它可能表明,MSC治疗减毒肺I / R损伤大鼠(84年]。此外,在小鼠模型中,静脉注射应用同种异体肺移植msc保护从寒冷的I / R损伤85年]。在这项研究中,cell-therapeutic效应与减少细胞凋亡,减少浸润的巨噬细胞,中性粒细胞,和CD8 +细胞,并降低TNF、il - 6,和TLR4但TSG-6的高表达,在肺组织(85年]。最前面提到的在活的有机体内研究主要集中在临床相关的参数结果,而不是潜在的分子过程。基于当前在这一领域的知识,它可以推测,结合不同的过程可能涉及如图1和2。只有在一些研究monotrauma模型移植细胞的存在是记录在受伤的组织。当地的招聘和简单的移植细胞的生存是否决定因素在多个损伤后再生到目前为止还不知道。
6.3。当前的限制
许多临床试验正在进行,但是只有非常有限的地址是因为身体严重受伤情况(86年]。最近看过的Squillaro et al ., 493 MSC-based临床试验目前列入国家健康研究所的数据库,解决各个领域如移植物抗宿主病、血液疾病、糖尿病、器官移植和炎性疾病86年]。只有两个研究解决急性肺损伤(37),据我们所知,没有研究关注polytraumatized病人。如前所述,由于临床情况和关键的时机包括自体MSC扩张,有限的时间polytraumatized病人需要外源的MSC在未来的应用研究。这可能在理论上是可行的,因为同种异体的应用程序已经执行抗类固醇移植物抗宿主病反应在耐火红斑狼疮患者和患者没有严重副作用(87年,88年]。此外,只有有限的信息可用微分免疫抑制功能(19,89年)以及空间和时间的再生潜力msc起源于不同的组织。因此,伟大的谨慎是必要的翻译在临床实验发现msc定义为“演员”和“目标”,因为msc居民在不同的组织,创伤后msc动员,msc体外扩展和移植可能不会函数相同,因此可能不是可互换。
6.4。未来的发展方向
一个有前途的方法来解决MSC将注射的治疗潜力的因素系统动员或本地目标内源性干细胞。这种策略被Hannoush等人报道急性肺损伤身体的雄性老鼠(68年]。系统性的g - csf申请5天前肺挫伤导致增加造血祖细胞集落生长在肺创伤(68年]。然而,是否msc还系统动员仍然开放。然而,由此导致的肺损伤评分提高g - csf预处理和SDF-1注入肺(或两者的结合)类似于系统性应用后的效果见过同种异体msc (68年]。msc的策略解决当地招聘主要由SDF-1研究趋化因子受体CXCR4激活(90年]。作为一个未来的治疗途径,激活补体系统的调制也可以支持内生MSC招聘因为过敏毒素C3a和更高的浓度也C5a刺激定向MSC移植(正如前面所提到的27,28,44,91年]。显著地,在严重创伤情况下,儿茶酚胺通过诱导的基因参与迁移可能支持动员msc (19,92年]。另一方面,据报道儿茶酚胺抑制分化成脂肪形成的,成骨,chondrogenic血统可能反映了微分msc活动根据功能需求92年]。此外,msc能抑制其他细胞如巨噬细胞的炎症反应(93年]。
Micro-environment-tailored策略来改善移植损伤部位可能包括预处理细胞因子或生长因子,platelet-enriched等离子体,补充监管机构、缺氧、基因修改,或修改的MSC与抗体或涂层表面结构导航配体(94年- - - - - -96年]。同时,提高移植细胞破坏的生存环境,例如,通过低氧预处理在I / R损伤大鼠(84年,97年)可能提供的机会进一步提高治疗潜力和减少,而大量的细胞,通常应用。免疫选择基于特定功能标记的表达反映了进一步的重要策略直接细胞侮辱感兴趣的地区。这最近被证明选择CXCR4-positive msc、揭示显著改进的迁徙和疗愈和非凡的共时抑制的系统性炎症反应29日]。其他检查参与组成分泌腺与MSC治疗策略或MSC微泡尚未测试的设置多个创伤。然而,他们可能有前途的基于观察其他疾病模型(98年,99年]。
7所示。结论
众多在体外和在活的有机体内观察清楚地表明,msc是核心球员后的复杂的病理生理的网络事件重大创伤。然而,许多问题仍然保持开放为了治疗地址msc为“演员”或“目标”多发伤。这些包括最佳的细胞来源(如骨髓、脂肪组织和脐带),创伤后的时间和平衡场景pro -和抗炎反应,应用程序路由和剂量的细胞,和可能的免疫抑制功能的MSC在妥协的情况下携带致命感染的危险。未来还需要转化的研究来回答这些问题,单独和实益利用msc的矛盾和多方面的行为。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢斯蒂芬妮·德克准备数据。这项工作是支持的,在某种程度上,德国国防部研究资助,柏林,德国(Vertragsforschungsvorhaben AZ E / U2AD / CD525 / DF559)。