文摘

干细胞已成为再生医学领域的一个研究热点,由于他们的自我更新和分化能力。骨骼肌组织是人体中最重要的一个组织,很难恢复,严重受损。然而,传统的治疗方法可以对病人造成非常大的伤害。骨骼肌干细胞组织工程修复在最大的程度上损害。因此,干细胞的应用骨骼肌再生是很有前途的。在本文中,我们讨论支架和骨骼肌再生干细胞,为未来的发展提出了我们的想法。

1。介绍

骨骼肌的重量占30 - 40%的人体健康所必需的物质,对人体(自由流动的1]。肌肉再生依赖于一组小成体干细胞被称为卫星细胞。卫星细胞静止在静止条件下,但他们可以快速进入细胞周期后受伤或接收增长的信号。卫星细胞迁移和增殖激活广泛对肌肉的再生(2]。虽然健康的骨骼肌承诺恢复能力应对轻伤在日常生活中,卫星细胞的命运是由内部和外部因素的严格控制。这种脆弱的平衡可能会被老化,遗传性肌病,巨大的肌肉损失。手术常用于临床实践,但高成本和相当大的可能会阻止一些病人。在这种情况下,组织工程(TE)吸引了研究人员的关注,已成为治疗骨骼肌疾病的新工具,促进骨骼肌再生(3- - - - - -5]。

组织工程的三大支柱是细胞,生物材料和环境(6]。干细胞是未分化的细胞,在身体的所有部位,具有自我更新和分化的能力。因为大量的干细胞已被证明肌原性的分化潜力,干细胞被认为是最具潜力的细胞来源骨骼肌TE (7- - - - - -9]。作为组织工程的三个要素之一,支架扮演重要的角色在整个技术。支架是模拟细胞外基质的功能。因为不同的组织有他们独特的细胞外基质,不同类型的支架可以引导细胞分化走向不同的方向。

在本文中,我们描述骨骼肌细胞的定向分化的序列组织工程的三大支柱。我们首先介绍了骨骼肌再生的过程在生理条件下,在每个分化阶段表达的化学信号。第二,我们介绍了一些生物材料和环境因素目前用于肌原性的分化。第三,我们列出几个常用的肌原性的干细胞分化和骨骼肌导演的最新进展进行了描述。肌原性的最后,我们提出了自己的意见分化和未来前景的使用。

2。肌肉再生

2.1。肌原性的标记

在成人肌肉卫星细胞通常mitotically静止。一般来说,一旦接触到信号从损坏环境,卫星细胞将离开自己的静止状态,重新进入细胞周期,开始增殖(卫星细胞的激活)。一些女儿细胞继续分化,而其他人则返回静止补充储备人口卫星细胞,然后,激活卫星有丝分裂后细胞形成多核肌管(10,11]。许多病理条件下,如肌营养不良(MDs)或肌肉萎缩,不能提供足够的信号卫星细胞,这将削弱他们的再生潜力(2]。多步肌肉形成过程是严格控制通过一个复杂的基因调控网络12]。首先,许多microrna(小分子核糖核酸)是小非编码RNA分子目标mRNA,用于调节基因表达,也是网络的一个重要组成部分(13,14]。第二,肌卫星细胞可以以几种遗传标记的组合,包括配对盒蛋白质,Pax7(被认为是一个清晰的音乐标志),磁流变液和肌肉监管因素,包括MYF5 MYOD, MYOG (myogenin)和MRF415- - - - - -17]。PAX7配对同源框转录因子,它指定肌肉干细胞的肌原性的性质和作为一个节点因子通过刺激增殖和抑制分化(18]。一些研究表明,Pax7失踪后,卫星细胞,成肌细胞显示细胞周期阻滞和不平衡肌原性的监管因素。总之,Pax7是绝对要求成人骨骼肌卫星细胞的功能(19]。第三,肌细胞生成依赖于精确和动态整合多个Wnt信号,这使得自我更新和进步转录因子5 (MYF5),如肌原性的因素和肌原性的分化因子1 (MYOD)可以明确表达的肌原性的细胞,但不是在静止卫星细胞中表达2]。一方面,MYOD肌细胞生成的是一个关键的转录因子。另一方面,MRF4的失活导致肌肉力量的细微变化和神经支配20.]。研究人员表明,成年卫星细胞起源于祖细胞第一次表达了MYF5肌原性的测定基因在胎儿阶段肌细胞生成的21)(见图1)。此外,在胚胎发育期间,Wnt信号控制的表达肌原性的监管因素(mrf)和磁流变液肌原性的血统(的发展至关重要22]。最重要的是,骨骼肌的形成是一个过程严格管制的肌肉前体细胞肌原性的血统(23]。值得注意的是,卫星细胞的静息状态与冬眠,有一些相似之处的细胞保存在一个最低的能量状态。所需的能量来自储存大分子的分解代谢,可以减少能源消耗,从而保持细胞的细胞和发育生物学24]。


图1
原理图的肌肉再生。骨骼肌组织再生是受基因串联涉及Pax7和磁流变液,哪个驱动器的每一步卫星细胞的激活,过渡扩张的祖细胞,分化和形成新的肌肉纤维。有趣的是,卫星细胞自我更新后可以保留少量的休息细胞再生以满足未来再生的需要。
2.2。磁流变液在分化阶段

肌肉再生可分为几个阶段,它的特点是不同的表情肌原性的监管因素(mrf)。在静止阶段,卫星细胞不活跃,但准备激活。在某种程度上,静止卫星细胞通常表达标记Pax7和Myf5等。肌肉拉伤后,卫星细胞是由各种刺激信号产生的伤害环境和最终分化卫星细胞迁移到受伤的网站,然后再加入细胞周期增殖。在这个阶段,他们被称为肌母细胞和表达成肌细胞标记Pax7 MYF5和/或MYOD。后增殖阶段,成肌细胞退出细胞周期和分化成成熟的肌肉细胞2,20.,21]。Pax7 +细胞表达MYF5大约80%的份额,但在激活和增生,Pax7和MYF5的表达减少,而MYOD相应增长在增殖阶段(20.,21,25]。

2.3。高级研究涉及肌肉再生

研究人员提取细胞外基质(ECM)从成年老鼠的大腿肌肉,送给了细胞表面涂层。他们应得的,相比之下,标准增长面条、肌原性的细胞培养在ECM提取物具有较强的增殖和分化能力。这是证实,ECM积极分子从骨骼肌中提取可以影响卫星细胞,成肌细胞的增殖和分化(26]。Rayagiri等人发现骨骼卫星细胞诱导当地ECM重塑和层粘连蛋白的沉积α1和层粘连蛋白α5基底层的卫星细胞的利基。层粘连蛋白的基因消融-α整合素- 1、破坏α6信号,或破坏基质金属蛋白酶活动可以损害卫星细胞的扩张和自我更新;证明的ECM重塑是一个重要的过程支持生殖干细胞活动和自我更新27]。另一位研究人员证明,脂肪的存在tissue-derived基质细胞(ADSCs)来源于脂肪组织能促进骨骼肌再生,和这种效应可以增强il - 4的预处理和SDF-1细胞(28]。另一方面,间叶细胞祖细胞(MPs)也参与再生。斯科特等人确定甲基化在癌症1 (Hic1)是一个标记的骨骼肌MP,这进一步表明,Hic1导致的损失议员的扩散。这些表明Hic1 + MP坐标骨骼肌再生的许多方面通过提供stage-specific免疫调节和营养和机械支持。他们进一步表明,他们有独特的功能和系谱的潜力。它可以得出结论,HIC1调节议员静止和标识议员子组与肌肉再生(短期和长期的影响29日]。

2.4。在组织工程支架
2.4.1。细胞培养:从2 d到3 d

方法二维(2 d)细胞培养是细胞培养的基本方法。它第一次出现在20世纪早期30.],它已经存在了许多年的最广泛和常规培养法细胞和干细胞研究中起着重要的作用,生物医学领域,等等31日,32]。然而,这种古典方法出生明显缺陷(33,34),因为所有的细胞在人体是一个复杂的三维环境,和细胞培养在2 d模式下缺乏互动与相邻细胞和细胞外基质,从而导致细胞信号不平衡和细胞形态变化(35]。近年来,三维(3 d)文化技术已逐渐成为一个热门的研究领域在细胞生物学和组织工程(见图2)。组织工程种子细胞的三个元素,支架和生长因子(36,37]。细胞培养的3 d显示不同的特征与2 d。因此,在可预见的未来,2 d细胞培养逐渐退出了历史的舞台,取而代之的是更完美的三维细胞培养技术。三维细胞培养技术具有明显的优势,但这将是一个漫长的过程,完全取代二维细胞培养技术,因为三维细胞培养绝对需要更多资金,复杂的操作,和经验。


图2
原理图的骨骼肌组织工程的一般过程。采取的方法用多孔支架治疗肱二头肌缺陷为例。首先,种子细胞是来自健康的手臂上的肱二头肌,体外培养。接下来,我们应该使种子细胞与多孔支架并添加生长因子。最后,少量的健康骨骼肌肉组织得到,然后植入人体。
2.4.2。简要介绍肌肉再生的支架及其应用实例

利用支架是组织工程不可或缺的一部分,一个很有用的技巧,肌肉再生,可提供临时的机械支持和必要的种子细胞粘附,生长环境生长,增殖,分化37]。支架被定义为三维(3 d)固体生物材料,在组织再生中扮演不可或缺的角色35,38]。支架的物理和化学性质在三维细胞培养中发挥着重要的作用,它总是决定着细胞的命运或植入的结果。有必要控制这些属性各种组织工程应用。根据来源,支架材料可分为天然材料、合成材料、复合材料。组织工程支架的功能是模拟ECM的功能(5]。ECM是独特的在特定组织所需的属性是3 d支架工程不同组织(39]。我们应该考虑许多方面在选择支架:体系结构,细胞和组织相容性、生物活性和机械性能。四个主要的组织工程支架方法已经发展迅速,包括:西式多孔支架对细胞播种,脱细胞基质,细胞与self-secreted ECM床单,和细胞封装在自组装水凝胶矩阵(36]。

过去几十年见证了应用组织工程技术的发展肌肉再生。支架用于支持骨骼肌再生应该适应和促进形成密集,highly-aligned肌纤维在一个大型组织体积(5]。支架用于肌肉再生应polarity-oriented财产保持平行的分化和生长的多核肌管。此外,张力和弹性都必须确保肌管的收缩功能。在2 d水平,使制备小鼠骨胳肌母细胞(C2C12细胞)坚持双层表利用nanoribbons可以促进其分化成成熟的肌管和帮助肌原性的基因表达40]。导电nanosubstrates可以提高肌原性的分化和成熟41]。然而,2 d文化模型可能会失去在组织培养中开发的组织架构,和床单可以堆叠的数量有上限(即。有限的厚度),因为从远处细胞不能安全的营养(如∼150μ米),否则会导致坏死(42]。时3 d水平,在各种脚手架材料、材料各向异性架构,拥有高相似性在本地组织形态和功能,可以是一个很好的选择适用于肌肉组织工程(42]。本研究方向的肌肉组织,肌肉纤维的平行束,是保证执行其收缩压和舒张功能。高桥et al。43)证明,形成一个各向异性的成肌细胞表正是能够有助于自组织行为和组织三维取向的成肌细胞和肌管。陈等人。44]利用胶原蛋白支架与凹microgrooves模仿肌肉基底膜,最后发现,成肌细胞工程肌肉组织中高度表达肌球蛋白重链和肌ECM的合成不同槽的大小无关。模仿本土骨骼肌组织,王et al。45)生成的水凝胶核壳支架结合纳米纤维纱线的核心,成功诱导对齐,伸长,C2C12分化。对齐nanofibrous气缸支架可以选择形式一致,密集的肌管,甚至没有一个衬底的支持(46]。另外,Ku et al。47)制造纳米纤维支架与导电性财产和确认有一个协同效应的刺激中肌肉细胞分化。崔et al。48)也进行了类似的调查。体积的肌肉损失(VML)损伤,也可能采用多孔collagen-GAG支架植入可能成为好和合理的治疗选项来增加肌肉肥大和恢复功能能力(49]。除了利用支架的化学或物理属性,研究生物支架的肌肉再生最近出现了(50]。邱et al。51)发现,间充质干细胞和脱细胞ECM支架有协同效应促进骨骼肌再生。ECM支架的功能调节巨噬细胞表型的能力。然而,缺乏等。52]表明COX1/2抑制剂如非甾体类抗炎药(非甾体抗炎药),经常看到在临床实践中,常见的药物如阿司匹林,可能会减少胶原蛋白含量和肌细胞生成的缺陷区域,使一个指令注意当我们应用这种技术将来病人服用这些药物。在过去的十年里,新兴的小说石墨烯氧化物支架已经制造刺激肌原性的祖细胞的分化和proangiogenic活动通过与细胞机械相互作用(53]。此外,赵等人证明了双重生物活性dopamine-incorporated电活性形状记忆弹性体可以应用于软组织工程,特别是骨骼肌再生。还有许多其他应用程序的实例等灵活的电活性形状记忆共聚物,电活性韧性聚交酯共聚物,注射自愈导电水凝胶(54]。因此,可以得出结论:合成复合材料与单一显示独特优势与支架结构或材料。选择支架材料时,我们可以作一个全面的考虑,把不同材料的优点尽可能我们可以创建一个复合支架,以便更好地促进肌细胞分化。同样重要的是使用最合适的支架根据目标组织。上面提到的例子在表中做了总结1。

表1
分类不同的支架。
2.5。环境因素影响肌肉分化

肌肉干细胞,称为卫星细胞,受到众多因素的影响,对骨骼肌生长和再生至关重要。骨骼肌的再生取决于卫星细胞的肌原性的分化。最常见的积极推动者的卫星细胞增殖和分化体内运动。运动的一个最明显的结果是让骨骼肌功能和健康状态的改善(55]。肌原性的分化的干细胞的过程可以分为两个阶段。第一阶段是细胞分裂,第二阶段是细胞分化特征的表达特定组合的肌原性的因素(56]。卫星细胞的肌原性的分化的研究具有很大的临床应用潜力。例如,这种技术可能会用于治疗VML [9]。当需要骨骼肌肉的生长和再生,卫星细胞将被激活肌原性的分化开始,然后开始增殖并分化成肌肉纤维,因此,形成肌肉组织(57]。Pax7卫星细胞的功能的保证(19]。干细胞的生长状态密切相关,环境温度、渗透压、酸碱度,光,和其他因素58]。分化,其中最重要的机械因素,因为它的角色在细胞微环境56,59]。此外,卫星细胞的分化是能够调节或刺激性激素(60,61年]。公园等人发现,卫星细胞的分化可以通过电刺激被激活(62年]。常见的代谢产物如乳酸、聚胺,二甲双胍可以调节和刺激肌原性的分化63年- - - - - -66年]。此外,r3h域包含(r3hdml)和提取细胞,细胞自身密切相关,也可以诱导干细胞的分化(67年,68年]。

2.6。对骨骼肌干细胞组织工程
2.6.1。卫星细胞

卫星细胞,也称为肌肉干细胞位于肌纤维膜和基板之间的肌纤维69年]。卫星细胞的主要功能是负责增长,维护和修理的骨骼肌出生后,与自我更新和分化的能力70年]。成对框转录因子Pax7是特殊的基因表达在卫星细胞,是最重要的转录因子诱导卫星细胞肌原性的分化。至关重要的Pax7调节卫星细胞扩张和分化在成人和新生儿(19,71年]。Pax7也绝对所需骨骼肌急性骨骼肌损伤后再生(72年]。H3K4甲基转移酶MLL1 Pax7表达式和函数体内是至关重要的。在缺乏MLL1, H3K4me3 Pax7 Myf5推动者减少,导致减少的表达Pax7和Myf518]。据报道,CD146 +间隙的祖细胞无表达Pax7肌原性的潜在体内和体外(57]。MyoD和myf5基本监管机构确定骨骼肌血统的胚胎。肌肉拉伤后他们表示卫星细胞。这两个监管机构必不可少的肌肉再生的稳定肌原性的身份,给肌肉再生的能力(73年]。CD82是一种新型的表面标记识别人类骨骼肌卫星细胞分离。CD82确保卫星细胞的扩张和保护通过抑制过度分化和卫星细胞的激活(有必要74年- - - - - -76年]。骨骼肌的成体干细胞,卫星细胞被广泛研究并取得了快速的进步。前列腺素E2 (PGE2),这被称为炎症细胞因子,导致卫星细胞扩张通过直接通过EP4受体针对卫星细胞。肌内交付PGE2可以显著提高,加快骨骼肌修复(77年]。切口目标基因Hesr1 (Hey1)和Hesr3 (Heyl)负责生成静止卫星细胞和维护卫星细胞数(78年]。Lysine-specific demethylase 1 (Lsd1)可以直接调节关键肌原性的转录因子基因,促进肌肉再生,防止proadipogenic转录因子Glis1区分成棕色脂肪细胞(79年]。然而,尽管许多因素,促进卫星细胞的活化研究,他们将逐渐失去自我更新能力的分化。同时,骨骼肌卫星细胞活检的主要来源,这方法会给病人造成非常大的伤害。如果需要更大数量的卫星细胞,活检是必要的大量的骨骼肌,临床上几乎难以实现。同时,卫星细胞的数量通过传统的酶分解方法小,纯度很低(9]。解决这些局限性,加西亚等人开发了一系列高档净化方法,保存,和串行移植人类卫星细胞;这些方法为人类卫星细胞提供一个可访问的系统研究和临床应用80年]。

2.6.2。间充质干细胞

根据澄清国际社会的细胞治疗(ISCT),间充质干细胞(msc)是指塑料贴壁细胞多向分化潜能与骨髓,脂肪,和其他组织如脐带血(81年,82年),infrapatellar脂肪垫(83年,84年),和牙科组织(85年]。它表达了CD73、CD90、CD105,但缺乏造血和内皮标记的表达CD11b, CD14、CD19, CD34、CD45、CD79a, HLA-DR。MSC可以分化成脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞在体外细胞系(86年,87年]。这两个msc在研究中最常用的是脂肪间充质干细胞(ADSCs)和骨骨髓来源干细胞(bmsc)。骨骨髓来源干细胞取自股骨和胫骨骨髓活检,只能获得少量的bmsc,给患者造成巨大的伤害。相反,ADSCs更容易获得,更快的成长,表达较高的干细胞标记(88年]。因此,目前的研究主要侧重于ADSCs msc。尽管许多研究已经表明,msc促进肌肉再生的影响,其机制尚不清楚。msc多功能干细胞,能够分泌细胞因子和生长因子,免疫调节和proangiogenic能力(89年]。与此同时,它可以直接在体外分化成肌肉组织(90年]。在这种情况下,是否直接msc分化成肌肉组织来取代受损的肌肉组织或产生旁分泌因子促进肌肉再生仍有争议。旁分泌因子由msc如胶质瘤、bFGF, igf - 1和VEGF已确认扮演关键的角色在促进血管生成(91年]。最新的研究发现msc可以刺激产生的细胞因子il - 6 M2巨噬细胞抑制新血管炎症和再生,提高肌原性的分化通过激活STAT通路(89年,92年]。米切尔等人证明ADSCs促进肌肉再生检查参与组成分泌腺的,其中包含细胞外囊泡(EV)以及可溶性蛋白质。EV分数有抗炎作用而可溶性蛋白质可以降低衰老细胞的数量。因此,检查参与组成分泌腺的ADSCs能促进肌肉再生的体内和体外(93年]。至于MSC为骨骼肌细胞的直接分化,电流效率仍然很低。只有15%的ADSCs可以分化成骨骼肌分化培养基(94年]。尽管许多研究致力于促进其分化效率,如培养细胞支架(95年)、物理刺激(96年[],和化学刺激97年]。但改善是非常有限的,不足以被应用到诊所。如果一个旁分泌因子,直接促进分化和能找到一个方法来提高分化效率,结合这两个将极大地促进肌肉再生的ADSC的应用。

2.6.3。诱导多能干细胞

诱导多能干细胞)的细胞则是首先从小鼠胚胎诱导ES细胞培养条件下通过引入特定因素2006年,然后从成人纤维母细胞诱导明年。其形态和生长特性类似于胚胎干细胞(ES)细胞和表达ES细胞标记基因(98年]。高桥等人发现了四种基本的转录因子,称为实验因素,必须转换为起动器细胞使用病毒载体重组细胞为万能:KLF4,原癌基因,OCT4、SOX2 [98年)(见表2)。不同于胚胎干细胞,从几乎每一个成年人组织则可以推出,这使得它们自由的伦理问题99年]。有许多方法,包括转基因和nontransgenic,生成大量的iPSC的肌肉细胞。转基因方法是可靠的和可以直接肌原性的祖细胞。Darabi等人Pax7引入人类ES和iPSC,发现它不仅产生大量的诱导肌原性的祖细胞(iMPCs)和再生能力也有利于卫星细胞池和保持它在很长一段时间后植入动物(99年]。培养iMPC在二维环境中,它会分化成多核肌管生成功能时骨骼肌组织(iSKM包)的3 d水凝胶的环境。和iSKM包骨骼肌的生物属性,如产生抽搐和强直性收缩。与单层膜的二维细胞培养相比,iSKM包更类似于本地成熟的肌肉。然后,他们植入iSKM包的下肢肌肉活老鼠。尽管iSKM包无血管的在第一次向内生长的血管植入帮助iSKM包生存和支持它的功能。的3 d文化IMPCs可能PSC-based治疗肌肉再生的基础(One hundred.]。Nontransgenic方法简单,可用于研究。谢尔顿等人开发了一个协议骨骼肌谱系分化iPSC利用化学定义媒体(101年]。细胞细胞膜等人发现iPSC-derived fluorescence-activated sorting-purified肌原性的祖细胞可以大规模扩展,可以发展成条纹和收缩肌纤维体外(102年]。最大的能力无限的自我更新和分化成任何血统的万能,肌原性的祖细胞应该尽可能纯净且容易扩展。CD54,整合素α9β1,Syndecan2 (SDC2)的表面标记Pax7-induced肌原性的祖细胞。这些标记物提供了一个可靠的方法来净化iPSC-derived肌原性的祖细胞为真实的应用程序中(One hundred.,103年]。尽管许多研究已经证实,iPSC可以分化成骨骼肌细胞,它的缺点也是显而易见的。免疫排斥反应可能的一个主要问题在万能干细胞的临床应用。和由于无法精确控制其分化方向,iPSC应该彻底的验证,以确保他们不致癌104年]。有趣的是,iPSC-derived畸胎瘤显示产生肌原性的祖细胞的能力。和肌原性的祖细胞从畸胎瘤会引起静止PAX7 +卫星细胞和有功能的再生能力105年]。

表2
肌原性的干细胞分化。

3所示。结论

骨骼肌的缺陷和损失函数由于各种原因包括先天性缺陷、损伤、肿瘤、退行性疾病和代谢疾病是常见的诊所。此外,某些肌肉疾病的风险随着年龄递增。例如sarcopenia、进步和全面骨骼肌疾病涉及加速肌肉和功能丧失,是常见的成年人的年龄但也可以早些时候发生的生活。肌肉疾病负担是因为世界各地的高患病率和密切关系短期和长期的副作用。尽管骨骼肌再生的能力,它取决于卫星细胞的功能。经过反复再生,再生能力的卫星细胞会逐渐被削弱。使肌肉再生适合临床使用,大规模扩张的卫星细胞从容易获得干细胞或分化成肌原性的血统是骨骼肌再生的主要方法。细胞分化的干细胞不能直接成为肌肉纤维。3 d的文化环境,使肌细胞转变为骨骼肌组织。但仍然有限制的应用程序。 On the one hand, although many novel methods can produce a lot more cells than before, the differentiation efficiency is still too low. On the other hand, there is too much reliance on transgenic technology and may cause people to worry about safety.

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Dengjie Yu和履Cai的贡献同样工作。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2019 yfa0111900),中国国家自然科学基金(81874030),湖南省级自然科学基金(2020 jj3060),湖南省级科学基金会(2018号jj2636),湖南省的主要研究和开发项目(2018号sk2076),中南大学创新驱动的项目(2020号cx045),吴Jieping医学基金会(320.6750.2020-03-14),CMA▪中青年医生突出发展项目——骨质疏松专业科研基金项目(g - x - 2019 - 1107 - 12),和健康的关键程序委员会湖南省(20201902)。