文摘
临界骨缺损及相关延迟愈合和不愈合仍需要解决的全球问题。骨组织工程主要是旨在实现令人满意的骨重建。间充质干细胞(msc)是一种多能干细胞可以分化为骨细胞,可作为骨组织工程的一个重要支柱。近几十年来,免疫反应中扮演重要角色骨骼再生。先天免疫反应提供一个合适的炎性微环境对骨再生和启动骨再生的早期断裂修复。适应性免疫反应维持骨再生和骨重建。msc及免疫细胞相互调节。各种免疫细胞和分泌细胞因子可以调节迁移,增殖,msc和成骨分化,这些免疫细胞有很强的免疫调节能力。本综述主要介绍了msc及免疫细胞之间的相互作用在骨再生和其潜在的机制,并讨论了实际应用于骨组织工程调制这种细胞间串扰。因此,深入了解这些骨头免疫学原理可以为骨组织工程提供一种新的方法。
1。介绍
虽然在骨修复骨组织可以进行自我修复,临界骨缺损造成的严重的骨折,肿瘤切除,先天性缺陷,关节炎,骨质疏松症仍然是一个全球关切,因为再生需求超过了骨愈合本身的能力(1,2]。自体骨移植是骨修复手术的黄金标准,但它是有限的,因为潜在的并发症,包括慢性疼痛、感染、血肿(3,4]。同种异体的骨移植和异种的骨移植替代方法关键骨缺陷,但他们主要的缺点,包括高成本和风险的疾病传播和免疫排斥反应(5,6]。然而,这些骨移植有局限性,所以小说骨再生骨缺陷应制定策略至关重要的。
骨组织工程是一个潜在的战略关键骨缺陷,由四大支柱,即生物材料支架,干细胞,具有生物活性的因素,生物物理刺激(7]。然而,目前大多数研究主要集中在骨愈合过程中骨生成和血管生成,因为骨生成刺激胶原蛋白和羟基磷灰石的沉积;血管生成促进骨细胞的氧气和营养的发挥它们的功能(8,9]。然而,免疫系统引发对骨再生不可或缺的影响通过免疫细胞和分泌细胞因子是必不可少的10]。
骨修复期间,急性炎症引起的损害因素,如创伤炎症通常是第一个阶段,紧随其后的是一个退化性或再生阶段由免疫细胞和骨细胞之间的串扰11]。在骨组织工程中,干细胞是骨组织工程的重要支柱之一;其中,间充质干细胞(msc)广泛用于骨再生(12]。msc可由各种免疫细胞迁移和分化,他们显示免疫调节功能与各种免疫细胞(如T细胞和巨噬细胞)和信息联系或分泌因素(13,14]。
综述,论述免疫细胞对msc对骨再生的影响。骨髓间充质免疫细胞的免疫调节。潜在调节详细综述了用于骨组织工程通过瞄准msc及免疫细胞之间的相互作用。本文的主要目的是解释之间的交互msc和免疫细胞加上潜在的调制策略。本文可以作为依据进行未来的研究骨组织工程考虑免疫调节到骨再生。
2。有免疫细胞对msc的骨再生的影响
炎症是骨再生的一个重要组成部分。免疫细胞为骨再生创造一个合适的免疫微环境通过吞噬作用、脱粒、细胞因子的分泌。他们也加速骨折愈合。msc骨折修复的重要前驱细胞,因为它们可以分化为骨细胞。炎症刺激可以招募msc、调节msc的增殖和凋亡,促进成骨分化。在本部分中,我们主要存在的法规和机制的免疫细胞在msc。
2.1。招聘
骨组织受损时,中性粒细胞,巨噬细胞,淋巴细胞,和其他免疫细胞首先进入骨再生微环境;在早期炎症微环境,免疫细胞动员msc通过释放可溶性介质,如细胞因子和趋化因子;招募他们骨头受伤的网站;和分化成成骨细胞骨修复(15]。msc表达各种趋化因子受体,如碳碳趋化因子受体1型(CCR1), CCR7, C-X-C趋化因子受体4 (CXCR4)类型,CXCR5,和相关趋化因子,可以对这些受体起作用,促进骨髓间充质受伤组织的迁移(16,17]。许多可溶性因素能促进msc的迁移,包括但不限于基质衍生因子1 (SDF-1) [18,19),单核细胞化学引诱物蛋白1 (MCP-1) [20.),巨噬细胞炎性蛋白1 (MIP-1) (21),咆哮(CCL5) [22),骨形成蛋白2 (BMP-2) (23,24),血管内皮生长因子(VEGF) [23),肿瘤坏死因子-α(TNF -α)[25,26),和转化生长因子3 (TGF -β3)(27]。证据表明,SDF-1是主要研究趋化因子,它对msc的迁移具有最大的影响。它可以作用于表面的趋化因子受体CXCR4 msc和诱导msc移植骨损伤。因此,SDF-1甚至可以促进msc的增殖和分化16,19,28]。
全身或局部炎症反应介导的免疫细胞能有效调节msc的导航和招聘,这是必不可少的骨组织再生(25]。在低炎症状态,趋化性和msc的增殖率显著降低,表明炎症微环境在骨组织再生中发挥不可替代的作用。巨噬细胞分泌MCP-1 MIP-1在炎症阶段;因此,他们促进MSC移植通过细胞外调节蛋白激酶(ERK)信号通路和成骨分化的诱导MSC在修复阶段(29日,30.]。macrophage-conditioned介质,msc变化的基因表达和细胞因子分泌炎性表型,并激活msc分泌增加白细胞介素- 6 (il - 6)、C-X-C趋化因子配体类型10 (CXCL10)和碳碳趋化因子配体类型5 (CCL5) [22]。CCL5 CCL2,引发由巨噬细胞分泌的能促进骨髓间充质骨损伤的移民网站,这些可溶性细胞因子发挥作用通过激活的压力激发了蛋白激酶/ c-Jun n端激酶(SAPK /物)信号通路(22,31日]。肿瘤坏死因子- T细胞刺激α激活核factor-kappa (NF - BκB)通路和分泌更多CCL5骨髓间充质受伤的招聘网站,从而实现异位成骨的影响(32]。桥等。25]研究了16个趋化因子和生长因子的影响迁移的msc在体外同意TNF和il - 1β骨髓间充质表达会导致更多的趋化因子受体;因此,他们对趋化因子的敏感性提高。在他们的实验中,T细胞耗竭显著降低msc的渗透,确认招聘T细胞对msc的影响(33]。进一步的研究应该探索NK细胞在骨组织再生的作用。NK细胞可以间接消除坏死组织和分泌中性粒细胞激活蛋白2 (NAP-2)和咆哮,促进MSC移植(34]。理解免疫细胞招聘msc的机制后,我们可以通过各种方式调节msc的迁移(生物物理和生物化学刺激)缩短骨折愈合。
2.2。增殖和凋亡
免疫细胞和可溶性因子不仅吸引了msc分泌骨损伤的网站也调节msc的生存。先前的研究表明,M1巨噬细胞及其相关细胞因子(TNF -α,il - 1β,1 l-6, IFN -γ)抑制msc的增殖。尽管使用TNF -α就可以增加msc的数量,其保护作用不足以抵消其他炎性细胞因子的负面影响。M2巨噬细胞及其相关细胞因子(il - 10, TGF -β1、TGF -β3,VEGF促进msc的增殖,但是msc的数量并没有明显增加il - 10时单独使用(35,36]。T淋巴细胞可以分化成多种亚型,每个子类型有不同的监管对msc的影响。CD8+T细胞能部分抑制MSC-mediated骨再生,CD4细胞+T细胞完全抑制成骨分化,调节性T细胞(Treg)注入可以消除激活T细胞的抑制msc (37,38]。刘等人。37]表明,激活T细胞表达下调骨剂量依赖性的方式通过分泌移行细胞(IFN -γ),并诱导肿瘤坏死因子- MSC细胞凋亡α分泌。Treg细胞可以抵抗这个负面影响,因为它可以减少正——的表达γ和肿瘤坏死因子-α(39,40]。阿司匹林,非甾体类抗炎药,也抒发这种效果。他们的实验也指出,干扰素-γ介导的骨生成差别的nonapoptotic途径对这些激活Smad-6 msc。干扰素的合作γ肿瘤坏死因子-α骨料和内在化的Fas msc、激活caspase8 caspase3,促进了Fas nonapoptotic信号转化为凋亡级联(37]。然而,一些报告表明,激活T细胞诱导MSC凋亡通过Fas和FasL和CD40 / CD40L途径[41- - - - - -44]。
先前的研究提供了不同的意见中肿瘤坏死因子的作用调解msc的增殖和细胞凋亡。一些学者认为,肿瘤坏死因子-α促进msc的增殖,但反对者指出,TNF -α配合与正γ诱导MSC细胞凋亡。两个研究合理解释这一现象。特别是,TNF -α,TNF家族的一员,可以绑定到肿瘤坏死因子受体1 (TNFR1)和TNFR2受体,发挥两个主要影响绑定,即中介通过Fas程序性细胞死亡通路和维持细胞生长,激活转录因子NF -κB,激活蛋白1 (AP-1)和增殖蛋白激酶(MAPK) [45,46]。在先天免疫反应,激活中性粒细胞可能通过改变il - 1诱导msc分化成成骨细胞α和TGF -β水平(47]。一些实验也表明,中性粒细胞抑制细胞外基质的生产从MSC,甚至诱导MSC凋亡通过产生活性氧(ROS) (48,49]。
2.3。成骨分化
msc的成骨分化是最关键的部分骨再生,平衡和动力学pro -抗炎信号所产生的免疫细胞对msc的成骨分化很重要。骨形成蛋白(bmp)和Wnt信号是两个重要的信号通路调节骨(14]。最佳管理能促进骨生成通过激活Smad蛋白质和移植Runt-related转录因子2 (Runx-2)表达式50]。Wnt通路调节成骨分化的msc通过低密度脂蛋白受体相关蛋白(LRP5/6) [5/651]。许多免疫细胞及其细胞因子调节骨通过这两个途径。例如,巨噬细胞分泌BMP-2 TGF -β激活相应的Smad蛋白质,分别促使下游信号分子可能促使细胞核移植Runx-2的表达和碱性磷酸酶(ALP),从而促进骨生成(52]。此外,M1巨噬细胞分泌制瘤素M矩阵(OSM)促进成骨分化和矿化的msc转录的激活信号传感器和催化剂3 (STAT3)途径53]。il - 1β促进成骨分化的msc通过经典之中Wnt-5a和受体酪氨酸kinase-like孤儿受体2 (Ror2)信号通路54]。然而,没有许多报告免疫细胞的信号通路促进成骨的msc分化,这可能是后续研究的方向。
在先天免疫细胞,monocyte-macrophage行促进成骨分化的msc释放BMP-2和TGF -β1,人类单核细胞促进成骨的msc的信号的表达式,如Runx-2 BMP-2,高山52]。虽然巨噬细胞被认为参与MSC-mediated骨再生,表现型最有利于骨仍不清楚。大多数研究者相信M1巨噬细胞分泌的促炎细胞因子TNF -α和il - 1β减少Runx-2的表达水平和高山,从而损害msc的成骨分化(55- - - - - -57]。这部分机制是可行的在风湿性关节炎骨质流失和绝经后骨质疏松症虽然骨质流失通常被视为增加破骨细胞活动的结果(36,58]。积极的M2巨噬细胞对msc的成骨分化的影响是不可否认的。陈等人的团队β三钙磷化处理镁支架(Mg -βtcp支架)巨噬细胞分化到M2表型,和M2巨噬细胞分泌BMP-2和VEGF在相互协同作用促进成骨分化和血管生成在msc (59]。分级intrafibrillarly仿生矿化胶原蛋白(HIMC)支架促进巨噬细胞极化和增强了msc的成骨的属性和矿化潜力主要通过il - 4,这似乎不利于msc的招聘;此外,这个il - 10对msc是否定的影响在他们的实验60]。然而,一些新的想法所描述的所有表型的巨噬细胞可以促进高山基因表达和基质矿化,甚至证明M1的论述效果是最强的亚型(61年,62年]。当cocultured msc、未极化的巨噬细胞促进成骨分化诱导OSM的表达(63年,64年]。这个因素诱导msc,促进基质矿化成骨分化的STAT3通路(53,65年]。OSM加强与TNF -α上调高山活动,促进骨再生(61年]。陆et al。66年]表明,促炎M1巨噬细胞促进骨量增加MSC-mediated通过前列腺素E2 (PGE2)的途径。
在适应性免疫细胞,T细胞在纯合子的msc可以抑制骨;相比之下,纯合子msc诱导在Rag1−−/老鼠缺乏T细胞(67年]。T的骨再生cell-deficient老鼠BMP-2增强基因表达增加,骨涎蛋白(BSP)和II型胶原蛋白(68年]。然而,T细胞缺陷是不利于骨再生,由TH17细胞和促炎细胞因子分泌IL-17F积极影响成骨分化(69年]。小野et al。70年)表明,IL-17A由T细胞分泌变化msc向成骨分化的脂肪生成的分化能力,从而增加骨愈合的质量。然而,概括T、B细胞在骨再生的作用不够严谨,因为淋巴细胞有许多亚型,在骨生成和每个子类型都有不同的作用。每个亚型在msc的“协同效应”在不同的微环境可能有偏见,所以提供了不同的视角。还需要进一步的研究来阐明不同T细胞亚型的作用在骨愈合。TH1免疫反应抑制成骨分化,报道和干扰素-γ在这一过程中扮演着重要的角色,因为干扰素-γ会使Runx-2的表达,骨钙素(OCN),和高山37,67年]。相反,Treg细胞可以抑制促炎的T细胞,甚至直接参与成骨分化,促进骨再生。此外,B淋巴细胞的作用在骨再生相关报道较少,主要是认为是破骨细胞的功能。激活B细胞增加破骨细胞的活性和数量通过释放核因子k B受体激活剂配体(RANKL)和促进骨吸收。然而,研究应该执行,以确定B细胞在骨再生和发挥主导作用揭示他们的活动机制。
骨生成的最重要的中介调节免疫细胞是细胞因子;因此,许多研究已经进行细胞因子的作用,但成骨分化的各种细胞因子的作用仍然是不确定的。例如,TNF -α据报道倾向于招聘和msc的增殖和促进成骨分化和矩阵矿化通过upregulation Runx-2, OCN,高山在低剂量和短暂的接触71年,72年]。然而,在高剂量,TNF -α抑制成骨分化的差别通过对这些胰岛素样生长因子1 (igf - 1)、Runx-2, Osx表达式(73年- - - - - -75年]。其他细胞因子(例如,IFN -γTGF -β已报告和il - 1)对骨再生有这样矛盾的影响,这可能与多种细胞因子的浓度影响,暴露的持续时间和受体相互作用。更明确的影响在进一步的研究应该探索(图1)。
3所示。骨髓间充质免疫细胞的免疫调节
msc多功能干细胞有免疫调节作用和抗炎功能,除了区分成不同谱系的细胞。msc可以调节T淋巴细胞和巨噬细胞的增殖和表型,防止B淋巴细胞分泌抗体,抑制DC的成熟,并减弱NK细胞的细胞毒性。此外,免疫调控msc是塑料。结合免疫细胞的作用在骨msc,我们大胆推测,相声msc和免疫细胞之间有一个积极的反馈影响骨再生的规定。因此,在本部分中,我们回顾msc的免疫调节作用。干细胞疗法可以更好的应用探索潜在的免疫调节机制。
3.1。T细胞
T淋巴细胞来源于骨髓造血干细胞,广泛分布在身体的所有组织76年]。天真的T淋巴细胞的活化需要刺激T细胞受体和costimulatory信号,并激活T细胞分化成各种亚型根据微环境中的细胞因子(77年]。激活CD4+T细胞主要分化成四个子集:TH1、TH2, TH17, Treg。其中,TH1细胞的分化主要是由细胞因子如- 2,白介素、干扰素-γ,其主要下游效应器干扰素-γ和肿瘤坏死因子-α。TH1的主要作用是招募巨噬细胞和诱导B细胞产生免疫球蛋白。TH2分化主要是遵循和il - 4, - 2及其以下效应器il - 4, IL-5, IL-13。TH2是招聘的主要角色,嗜酸性粒细胞和肥大细胞和诱导IgE抗体生产B细胞(78年,79年]。TH17细胞是一种特殊类型的辅助,可以在骨损伤的积累,提高身体的免疫反应的作用下由中性粒细胞趋化因子如CCL2和CCL20分泌。IL-17表示通过激活TH17可以激活树突状细胞释放granulocyto-colony-stimulating因子(g - csf)和诱发大量的中性粒细胞迁移网站的损伤,导致持续的炎症反应。亚群抑制自身免疫反应过度和发挥重要作用在骨再生。在特定的炎性微环境,CD8+T细胞分化成细胞毒性T淋巴细胞(ctl),产生的促炎细胞因子干扰素-γ有效地杀死感染靶细胞通过释放granzyme和穿孔素(80年]。
msc和T细胞之间的相互作用已被广泛研究。先前的研究显示[81年- - - - - -83年],msc抑制效应T细胞的增殖和诱导调节性T细胞的生产主要是通过直接接触和信息(84年,85年和可溶性细胞因子的分泌86年,87年]。msc的可溶性因子参与免疫调节效应包括il - 10 (88年,89年),TGF -β1 (84年,90年),一氧化氮(NO),吲哚胺2,3-dioxygenase (IDO) [91年],PGE2 [92年,93年],TNF -α刺激基因6 (TSG-6) [94年,95年]。
msc可以影响T细胞的增殖和凋亡。msc引起抑制在几个实验模型对T细胞增殖的影响。在移植物抗宿主病的典范,graft-derived msc强烈抑制宿主体内T细胞的增殖(82年]。然而,MSC-mediated抑制T细胞增殖的机制是不确定的。coculture化验,msc阻止T细胞的细胞周期G1期,在检测到细胞内DNA合成的完全堵塞,通过释放大量的TGF -β,表达下调细胞周期蛋白D2,移植p27kip1(83年]。此外,当T细胞的抑制msc在实验中被移除和强大的刺激(- 2),尽管T细胞活动恢复,T细胞增殖是不可逆转的,充分展示了TGF -的主导作用β通过msc在抑制T细胞增殖。公园等。90年)转让adenoviral TGF -β基因植入msc、产生更强的免疫抑制比正常msc、TGF -进一步展示的重要作用β在这个过程中。虽然先前的研究,msc只有阻止T细胞增殖,不会导致T细胞调节96年),然而,越来越多的研究也报道,msc诱导T细胞死亡通过多种途径(81年,97年]。msc可以调解的规定通过FasL / Fas通路激活T细胞(97年],FasL的免疫治疗效果是必要的msc治疗小鼠结肠炎(85年]。FasL, TNF家族的一员,可以通过直接接触诱导细胞凋亡的细胞表面受体Fas。激活T细胞更敏感FasL-mediated凋亡,因为他们的高Fas表达[98年]。人类placenta-derived间充质干细胞(hpMSCs)也通过免疫抑制分子死亡调解Th1、Th2细胞程序性死亡蛋白1 (PD-1)和Galectin 9 (Gal-9) [82年,99年]。此外,被罩是色氨酸的病原反应酶分解代谢,和大量色氨酸异化犬尿氨酸在被罩超表达(One hundred.]。犬尿氨酸激活T细胞的死亡原因(101年]。因此,我是msc调节免疫的途径之一(91年,102年]。实验证据表明,msc需要干扰素-γ刺激的语言表达,这就解释了为什么不能msc诱导T细胞灭活的规定(103年,104年]。
msc还调节T细胞的活化和分化。先前的研究表明,Th1和Th17涉及大多数自身免疫性疾病的发展105年,106年),而Th2和Treg细胞有保护作用107年,108年]。msc抑制天真的CD4细胞的分化+T细胞Th1和Th17细胞,促进其分化成Th2和Treg细胞。注入人体脂肪间充质干细胞(hASCs)抑制Th1和增加Th17细胞和CD4的数量+CD25+Foxp3+Treg细胞,从而大大减少骨骼和软骨损伤小鼠关节炎(109年]。不同意见的机制可用Treg细胞生产由msc诱导;根据常见的概念,msc通过可溶性细胞因子(84年),如PGE2、il - 10, TGF -β1,Notch信号通路(110年]。当msc被添加在CD4的感应+T细胞分化,PGE2和TGF -的表达水平β显著增加,可以扭转MSC-mediated免疫抑制治疗后与相应的单克隆抗体(111年]。这个实验还提出,Treg由msc与CD4 cocultured+T细胞是一种诱导Treg (iTreg),不是一个自然亚群增殖(nTregs)胸腺。此外,il - 10被公认是参与MSC-mediated免疫抑制。il - 10 T抑制细胞增殖和促进Treg细胞分化与组织相容性白细胞抗原交互G5 (HLA-G5)和HLA-G5必须参与促进Treg分化通过细胞接触(89年]。在先前的研究中,msc分别与每个净化cocultured T细胞亚型,和结果表明,激活T细胞和细胞因子释放由msc为每个亚型(93年]。
msc的免疫调节是塑料。MSC不仅引起免疫抑制作用,而且促进免疫反应在特定情况下,这是MSC免疫调节的可塑性112年]。这种可塑性主要是由炎症微环境的水平。在急性炎症反应,高水平的局部炎症因子诱导msc将免疫抑制表型,这释放出了大量的免疫抑制因子和抑制免疫反应;反之,在慢性炎症反应,局部微环境诱导msc炎性表型转换,他们在受伤部位释放趋化因子招募更多的免疫细胞,无法抑制,从而加剧了免疫反应(113年]。李等人。114年调查不同的正的影响γ浓度对msc的免疫调节作用。干扰素-低γ浓度可以刺激老鼠msc只有少量的没有生产;当干扰素γ浓度的增加,它可以产生足够的msc上没有引起免疫抑制效应,充分展示这种可塑性。
3.2。巨噬细胞
巨噬细胞从造血干细胞分化和作为主要的先天免疫细胞,经典吞噬nonautologous材料(如细菌、病毒和移植)和坏死的组织。他们也公开表示对T淋巴细胞的抗原。因此,他们有一个基本的作用,人体的免疫防御。巨噬细胞有显著的可塑性和未分化M0巨噬细胞在一定条件下可以分化成两个主要表型:狭义货币供应量M1及广义货币供应量M2。这个两极分化成不同的表型的过程取决于损伤的局部微环境的网站。M1巨噬细胞炎性表型和最初反应细胞损伤或异物刺激。M0巨噬细胞可以分化成巨噬细胞M1 INF——等细胞因子的影响下γ和TGF -α。反过来,这些细胞因子分泌TNF -α、il - 6、il - 1β、il - 12和其他炎症因素诱发局部炎症反应和促进巨噬细胞的分化为破骨细胞。因此,骨头进行炎症吸收。同样,M0巨噬细胞的诱导下分化成M2巨噬细胞细胞因子il - 4和IL-13等。M2巨噬细胞抗炎表型可以分泌生物介质如il - 10、TGF -β1、VEGF、BMP-2/4 CCL-13/18促进炎症回归和组织重建115年- - - - - -117年]。
巨噬细胞发挥重要作用在骨组织再生,和msc可以进一步促进骨折修复通过他们的监管。msc可以分泌可溶性PGE2等因素118年],interleukin-1受体拮抗剂(IL-1RA) [119年],TSG-6 [94年),TGF -β1 (120年),il - 6 (121年),我(122年),诱导巨噬细胞M1的转换M2巨噬细胞,从而抑制全身和局部炎症反应,促进骨组织再生和伤口修复。coculture试验表明,msc诱导极化从巨噬细胞M1、M2巨噬细胞通过分泌PGE2,会使表达式的促炎细胞因子TNF -α、il - 1、il - 6和移植抗炎因子il - 10的表达;因此,局部炎症反应减少,和一个合适的微环境对骨再生形式(118年]。此外,msc移植il - 10表达和减弱全身性脓毒症通过改变巨噬细胞极化PGE2 [123年]。进一步的研究显示,由移植msc促进PEG2分泌和激活NF -半胱天冬酶的活动κB;PGE2作用于E-prostanoid受体4 (EP4)表面上的巨噬细胞诱导他们的极化124年]。除了PGE2, IL-1RA参与巨噬细胞极化,msc缺乏IL-1RA不太能够诱导比野生型小鼠(M1, M2转换119年,125年]。在脓毒症小鼠模型,TGF -β1由msc分泌然后介导巨噬细胞表型改变通过一种蛋白激酶的激活/ FoxO1信号通路(126年]。与单核细胞实验,coculture msc分泌油直接诱导单核细胞分化的M2,证明M2可以间接地抑制T细胞增殖127年]。除了细胞因子,MSC的代谢物似乎在MSC免疫调节中发挥作用;证据表明,msc改变线粒体活动所产生的乳酸代谢重编程,从而对M2单核细胞分化[倾斜128年]。msc分泌CCL2,亚兰招募循环巨噬细胞和血管内皮细胞的骨损伤部位,然后可以调节为骨在msc创造有利条件129年,130年]。细胞接触和炎症因子刺激可能提高msc的免疫抑制功能,可证实Transwell系统和干扰素-γ或脂多糖(LPS) MSC预处理模型(120年,131年]。
msc可以调节巨噬细胞分化成Treg-like监管巨噬细胞通过分泌PGE2,具有细胞因子分泌不同于经典抗炎M2巨噬细胞,表达il - 10、il - 6水平高和低白介素和肿瘤坏死因子-α水平(118年,131年]。虽然这些监管巨噬细胞表达高水平的il - 6,内源性il - 6由巨噬细胞分泌的具有显著的抗炎和组织repair-promoting效果;因此,吞噬能力增强(132年,133年]。
3.3。B细胞
B淋巴细胞细胞适应性免疫系统很重要。在天真的B细胞表面受体识别特定抗原,增殖,分化为浆细胞和记忆细胞产生抗体清除病原体和保护生物134年]。不同起源的间充质干细胞抑制B细胞增殖,分化和趋化性体内和体外135年]。在系统性红斑狼疮(SLE)小鼠模型,msc显著抑制激活B细胞增殖和分化的能力(浆细胞,同时增加B细胞活动136年]。msc抑制B细胞增殖通过阻断细胞周期在G0 / G1期没有诱导B细胞和浆细胞的凋亡135年),甚至人类脂肪msc为灭活的生存B细胞(137年,138年]。然而,msc抑制B细胞的机制尚不清楚。一方面,通过移植msc对B细胞起到监管作用ERK1/2和抑制p38MAPK磷酸化139年]。Asari et al。138年和切140年]表明,msc抑制B细胞的分化成浆细胞表达下调Blimp-1表达和移植配对盒蛋白5 (PAX-5)表达式,从而减少免疫球蛋白和IgM分泌。转录因子,如Blimp-1 PAX-5, B细胞淋巴瘤6 (BCL-6), x - box结合蛋白1 (XBP1)是主要的监管机构的B细胞分化为浆细胞(141年- - - - - -144年]。另一方面,msc诱导B细胞分化的调节B细胞(Bregs),它可以分泌大量的il - 10和负面影响免疫反应(119年,137年]。至于T细胞,刺激炎症因素提高msc在B细胞的抑制效果。Corcione et al。135年)报道,msc要求B细胞旁分泌因子的激活函数,因为上层的msc在文化本身并不产生抑制作用。随后的研究也证明了干扰素-一个包罗万象的作用γ(145年]。此外,细胞间接触参与这个过程,可能与PD-1的作用和细胞程序性死亡配体1 (PD-L1) [145年]。几个相互矛盾的结果报告;特别是,一些研究者表明,与msc coculture促进B细胞增殖,分化和抗体分泌146年,147年]。这些变化可能反映了MSC的差异来源,B细胞增殖状态,刺激强度,净化过程和实验方法。msc诱导B细胞产生的免疫球蛋白g更多弱刺激下(135年]。因此,msc的增殖抑制B细胞浓度的方式(138年,140年]。
3.4。NK细胞
NK细胞是先天免疫细胞发挥免疫效应通过释放细胞因子干扰素γ肿瘤坏死因子-α在激活,il - 10。细胞毒性,释放granzyme和穿孔素通过脱粒杀死病毒感染细胞和肿瘤细胞(148年,149年]。他们还参与骨组织再生。与T细胞和巨噬细胞相比,一些当前的研究已经由msc对NK细胞的规定执行。msc是NK细胞的有效抑制剂,因为他们可以抑制NK细胞增殖,细胞因子分泌,细胞毒性炎症环境中(150年,151年]。msc抑制NK细胞的IL-15-stimulated扩散和干扰素等细胞因子的分泌γ通过分泌可溶性因素;msc减少NK细胞的细胞毒性细胞间接触的方式,但是他们没有诱导NK细胞死亡(151年]。msc在NK细胞的抑制作用可以完全逆转通过添加TGF -中和因素β1和PGE2,表明TGF -βPGE2 1和两个主要介质的msc的影响(151年]。NK细胞衍生干扰素-γ可以通过msc促进IDO的表达,从而诱导免疫抑制(150年]。NK细胞的调控msc还与许多因素有关。一方面,它是剂量依赖,和抑制NK细胞的细胞因子分泌通过MSC与NK / MSC比率,有显著的抑制作用只有当NK / MSC比率很低(151年]。另一方面,它是与时间有关的,和msc能促进NK细胞活化在早期阶段和晚期抑制他们的活动;这种现象可能与表型变化msc (152年]。然而,一些相互矛盾的结果表明,msc可以促进干扰素等细胞因子的分泌γ和肿瘤坏死因子-αNK细胞和移植脱粒NK细胞;因此,一个更强大的炎症反应是诱导153年]。这些矛盾的结果可能归因于等因素相关的剂量、时间和msc的来源或NK细胞亚群;然而,他们应该在将来的研究中进一步证实。
3.5。树突细胞
树突状细胞(dc)是最强大的专业抗原递呈细胞(apc)。成熟dc能有效地提取和处理抗原和现在他们T淋巴细胞来启动一种自适应免疫反应(154年,155年]。msc同样可以通过抑制DCs发挥免疫调节的影响。类似的机制msc抑制T细胞增殖,msc抑制单核细胞的分化为dc细胞周期蛋白D2的差别通过对这些基因的表达,在G0期阻滞细胞周期(156年]。msc也通过其他一些途径阻止DC的成熟。其中,microrna起着关键的作用在调节DC成熟,和移植msc可以抑制DC的成熟的表达miR-23b和NF -阻断激活κB通路(157年]。il - 6和macrophage-stimulating因子(csf)协同作用在DCs干扰他们的成熟158年]。然而,斯帕贾利等人建议PGE2扮演主导角色一名在msc抑制DC成熟独立的il - 6 (159年]。此外,PD-L1,腺苷可能参与这个过程,和干扰素-γ激活msc引起更强的抑制效应(160年]。有趣的是,范伯克等人指出,脊髓血液间充质干细胞(USSCs)法案更不同于骨骨髓来源间充质干细胞(BM-MSCs)因为他们积极影响DC成熟和功能161年]。这个发现意味着我们后续研究应考虑细胞来源。此外,未成熟dc (idc)可以抑制T细胞反应和诱导抗原宽容;因此,抑制T细胞介导的免疫反应和Treg细胞生产msc可能与DC成熟[受损有关162年]。
3.6。中性粒细胞
中性粒细胞是潜在的免疫细胞进入损伤部位和作为身体的第一道防线的免疫力163年]。在骨折修复的炎症反应阶段,中性粒细胞清除坏死组织和抵御病原入侵通过吞噬作用、细胞因子分泌,和中性粒细胞胞外陷阱(净)生产,提供一个合适的地方骨再生微环境和初始裂缝修复。msc具有抑制性影响大多数免疫细胞;然而,他们积极影响中性粒细胞。msc抑制中性粒细胞的监管,改变他们的趋化性,增强呼吸爆发能力(164年- - - - - -166年]。MSC延长寿命的中性粒细胞即使在低浓度相对MSC。此外,调节骨髓细胞leukemia-1 (mcl1)和表达下调伯灵顿文化系统中检测到的结果STAT3信号通路的激活MSC-derived il - 6 (164年]。尽管灭活msc引起凋亡效应,msc与激活toll样受体通常有一个强大的好处,以及il - 6, IFN -γ和集落刺激因子(gm - csf)由msc合作采取行动延缓嗜中性粒细胞激活死(167年]。此外,msc分泌引发和巨噬细胞移动抑制因子(MIF)招募中性粒细胞和方便进入炎症网站;招募中性粒细胞展览更有活力的抗菌活性和呼吸爆发能力(165年,168年]。有趣的是,在一个小鼠模型的血管炎,msc抑制净生产和控制应对中性粒细胞呼吸爆发,有效降低氧自由基的释放从中性粒细胞分泌抗氧化剂酶超氧化物歧化酶3 (SOD3) [169年]。第一次,江et al。169年证明了msc可以吞噬应对中性粒细胞,减少造成的组织损伤释放的有毒粒子从中性粒细胞。在角膜损伤模型和腹膜炎小鼠模型,TSG-6由msc分泌有效抑制中性粒细胞的条目到损伤部位,从而大大减少炎症反应(94年,95年]。这种两相的效果表明免疫调控msc的可塑性,和我们推测msc可以触发是否必要的炎症反应,抑制过度的免疫反应和维护当地的微环境有利于组织修复。
总之,msc的免疫调节效应的机制是复杂的,和描述的一个因素是困难的,因为各种因素之间的相互作用;因此,许多矛盾的意见这样的机制。这种现象也可能与不同种类的实验动物,不同组织来源的msc、以及实验设计协议的变化。更深入的研究需要充分理解和利用msc(图的免疫调节机制2)。
4所示。MSC-Immune细胞相互作用的调节骨组织工程
在骨组织工程中,msc可以纳入生物材料直接封装或间接招聘。尽管大多数研究导致的直接刺激成骨的MSC分化、调节MSC及免疫细胞之间的相互作用可能是骨组织工程的新途径。的方法可以分为两个方向:调节免疫细胞的骨髓间充质影响影响msc和调节免疫细胞(图3)。两个方向提供一个合适的骨再生的微环境。
4.1。调节免疫细胞的影响msc为骨组织工程
各种线索影响msc、调节免疫细胞可以归类为生化刺激(生物活性蛋白质或多肽,nonamino酸药物、金属离子和微粒子和纳米粒子)和生物物理刺激(内部结构刺激,外部机械刺激,和电磁刺激)(170年]。
以下4.4.1。生物活性蛋白质和多肽
生物活性蛋白质和肽引起骨髓间充质促进骨生成;免疫调节的影响其中,细胞因子已被广泛使用。il - 4是最常用的抗炎细胞因子之一,它能促进抗炎M2巨噬细胞极化,从而进一步促进骨再生。胡锦涛et al。(171年]介绍了il - 4 heparin-modified明胶微球,可实现控制释放il - 4,因为绑定il - 4和肝素之间的互动。这个绑定也可以稳定il - 4和防止变性和退化,确保il - 4的免疫调节活动减少炎症,促进骨赘生物(171年]。考虑到M1表型启动血管新生和M2表型刺激血管成熟,施佩尔et al。172年合并移行细胞(IFN -γ),支架由弱身体吸收和il - 4强biotin-streptavidin绑定;因此,一个简短的干扰素-的释放γ和持续释放il - 4的发生。顺序极化M1和M2巨噬细胞促进血管化(172年]。因此,利用细胞因子促进M1 / M2的顺序激活巨噬细胞和炎性M1表型的及时、成功过渡到M2表型可能导致骨再生。
除了细胞因子,生长因子显示免疫调节功能和论述影响。BMP-2已广泛用于骨再生,开发了几种方法来减少副作用降低治疗剂量(173年,174年]。BMP-2也显示了一个免疫调节能力175年]。魏et al。176年]表明BMP-2能促进巨噬细胞的浸润和招聘,表达下调M1表型标记,包括il - 1β、il - 6和进气阀打开。通过BMP-2-stimulated巨噬细胞分泌的生物活性因子能促进MSC骨(176年]。此外,BMP-2利用率可以夫妇与其他细胞因子增强骨再生。邹et al。177年]同时加载il - 4和BMP-2石墨烯氧化物(去)的控释和封装到羧甲基壳聚糖(CMC) /聚(乙二醇)丙烯酸(PEGDA)水凝胶制成。它们表明,水凝胶嵌入与il - 4和BMP-2可以显著促进M2巨噬细胞的极化和msc的成骨分化。水凝胶也可以促进骨愈合,减少炎症反应。除了BMP-2外,其他生长因子从富含血小板血浆(PRP),如IGF、PDGF和TGF -β,可以提高M2表型分化,然后提高骨再生(178年]。
与生物活性蛋白质相比,生物活性肽可能会更有前途,因为简单生产和低成本。阳离子抗菌肽免疫调节肽显示抗感染和抗炎活动(179年]。陈等人。180年阳离子抗菌肽)固定化GL13K,钛的表面,播种M1和M2巨噬细胞。他们证明了GL13K-modified抑制钛M1表型但适合M2与理想cytocompatibility表型(180年]。GL13K-modified钛也减少促炎细胞因子的表达,包括TNF -α和il - 1β,但它促进抗炎细胞因子的表达,包括il - 10和TGF -β3,它可以促进骨再生(180年]。此外,甲状旁腺激素(素,一个84 -氨基酸肽分泌甲状旁腺,是另一种免疫调节肽对骨再生因为甲状旁腺素能促进T细胞表达Wnt配体和激活相关Wnt信号(181年]。甲状旁腺素和PTH-related肽本地用于骨组织工程(182年]。未来的研究应关注其免疫调节对骨愈合的影响。其他免疫调节肽包括降钙素相关基因肽(CGRP怎样)183年)和α促黑激素(184年),为骨组织工程方面显示了很大的潜力。
4.1.2。Nonamino酸药物
近年来,一些nonamino酸药物具有免疫调节功能已被作为潜在的替代在骨组织工程中生物活性蛋白质和多肽。刘等人。185年]合并fingolimod (FTY720) immunoregulator来源于myriocin,介孔生物活性玻璃,可实现控制释放由于介孔特性和静电绑定7天。释放FTY720可促进M2巨噬细胞极化,从而改善骨生成和抑制osteoclastogenesis [185年]。罗格列酮(显示)是一种高度选择性合成受体激动剂的过氧物酶体proliferator-activated受体-γ(PPARγ),这是介绍异种的脱细胞基质(xNDM) [186年]。显示可以刺激M2与M1巨噬细胞极化巨噬细胞极化与il - 10和TGF -改善的证据β和减少il - 1、TNF -α(186年]。RSG-embedded xNDM显示提高骨再生高成骨的标记,包括高山,骨桥蛋白(OPN)和牙本质涎蛋白(DSP) (186年]。非甾体类抗炎药(非甾体抗炎药)也是一个有前途的免疫调节药物的骨再生;其中,阿司匹林一直为骨组织工程开发,尤其是对炎症条件(187年]。与炎症条件下大鼠下颌骨缺损,阿司匹林治疗大大提高骨再生,因为阿司匹林可以减少巨噬细胞活化诱导脂多糖(LPS);证据表明降低诱导NO-synthase(间接宾语)和肿瘤坏死因子-α(188年]。此外,一些nonamino酸激素药物可以引入生物材料支架为骨再生。雌激素是一种激素,可以调节免疫系统(189年]。它被用于骨组织工程190年),但其免疫调节作用尚未研究。地塞米松是另一个有前景的激素用于骨组织工程,因为它可以抑制炎症。
4.1.3。金属离子
金属离子的引入与免疫调节生物活性是另一个策略来构造一个合适的免疫微环境对骨再生。多种金属离子显示免疫调节作用;其中,Ca、Co和硅离子促进炎症,而钙、锌、镁、和Sr离子消炎(191年]。然而,金属离子的毒性可能发起的浓度在治疗剂量时,(192年]。因此,金属离子的应用应该被限制在一个控制释放模式。歌等。193年)封装硅酸锌nanohydroxyapatite /胶原支架,可以实现持续的硅酸盐离子和锌离子的释放。硅酸锌可以激活和促进单核细胞分化tartrate-resistant酸性磷酸酶-(陷阱)阳性细胞;这些细胞分泌prohealing因素(SDF-1、TGF -β1,VEGF -α和PDGF-BB)招募msc和内皮细胞骨再生(193年]。张等人设计了一个strontium-substituted亚微米生物活性玻璃(Sr-SBG),引出适当的免疫调节作用。老释放离子从支架可以促进M2巨噬细胞极化,因此改善M2 CD206标志。免疫调节支架也下调炎症基因(il - 1β和间接宾语)和调节抗炎基因(il - 1γα和精氨酸酶)。一个体内研究证明Sr-SBG促进骨形成,减少有害的免疫反应比小企业没有锶。
4.1.4。纳米粒子
纳米粒子可以作为immunoregulators封装在生物材料。Nanohydroxyapatite (HA)粒子促进M2巨噬细胞极化,在微米大小的HA粒子促进M1巨噬细胞极化(194年,195年]。与微米大小的HA particle-encapsulated支架相比,nano-HA particle-incorporated支架植入大鼠股骨缺陷促进M2表型,提高骨再生和血管化194年]。梁等。196年]还发现介孔二氧化硅负载金纳米粒子可以促进偏振转换和刺激巨噬细胞分泌骨的成骨细胞因子。
4.1.5。生物物理刺激
除了上述生化刺激,调节免疫细胞促进骨再生,生物物理刺激有免疫调节功能,可以分为内部结构刺激,外部机械刺激和电磁刺激(7]。
内部结构刺激指线索来自生物材料支架的独特的生物物理性质。无数的内部结构刺激已经透露给osteoimmunomodulatory效果,包括刚度矩阵、孔隙尺寸和孔隙度、表面亲水性、表面粗糙度和地形,表面电荷(170年]。免疫细胞的调制内部生物物理刺激促进骨再生显示潜力临界骨缺损。倪et al。197年)设计和比较两种模式的nanotopography骨生成和血管生成:nanoconcave坑(NCPit)和nanoconvex点(NCDot)微阵列。他们透露,NCDot微阵列显著促进M2巨噬细胞极化具有更高抗炎标记(TNF -α、il - 6、il - 1β、和CD 86)和炎性细胞因子(il - 10和CD 206)低于NCPit微阵列(197年]。因此,NCDot芯片可以大大促进msc的成骨分化,因为适当的免疫微环境(197年]。另一组开发的分层次结构(微通道)三维(3 d)支架198年]。与传统的3 d打印的支架相比,微通道支架可以抑制细胞外陷阱形成中性粒细胞为主,促进M2巨噬细胞极化,提高SDF1招募msc和VEGF的表达来增强血管化(198年]。然后,体内实验表明,支架可以显著提高骨再生和减少纤维囊形成(198年]。因此,应用程序的内部结构刺激可能是一个理想的方法来取代生化刺激,因为他们可能会避免破裂释放和提供骨再生的微环境。
外部机械刺激和电磁刺激线索之外执行的生物物理效应而不是生物材料的结构性质。董et al。199年发现机械张力可以促进M2巨噬细胞的极化,分泌抗炎的因素,包括il - 10和TGF -β,促进成骨分化msc。低强度脉冲超声波还可以刺激炎症M1表型的开关抗炎M2表型(200年]。考虑相关研究外部机械刺激和电磁刺激调节免疫细胞是有限的,进一步的研究应关注其他外部机械刺激的免疫调节功能(如压缩和流体剪切应力)和电磁刺激(如电流、电场、磁场和电磁场)对骨再生。
4.2。骨髓间充质影响免疫细胞的调节骨组织工程
考虑到msc通常用作骨组织工程修复细胞作为免疫调制剂因其独特性能的低免疫原性、免疫刺激,和免疫抑制效应(170年],MSC调制另一个策略是影响免疫细胞为骨组织工程。
一般来说,msc支架上播种,然后移植骨缺损骨再生。Seebach et al。129年]发现培养的msc促进M1的招募巨噬细胞和内皮祖细胞支架,它允许最初的成熟和早期血管化。因此,M1表型的过渡M2表型对MSC-seeded支架很重要,和调制msc分泌生物活性的因素可能是一个潜在的方法。上野et al。201年)捏造lentivirus-transduced IL-4-overexpressing msc,加载为临界骨缺损支架。他们证明修改msc嵌入支架可以促进M2巨噬细胞极化不影响M1在早期炎症巨噬细胞活动阶段(201年]。IL-4-generated支架可以促进骨再生,显示支架装载修改msc(可能是一个有前途的战略201年]。然而,M1 MSC-seeded活动支架高是因为msc(产生的矩阵202年]。因此,msc的选择可能是今后的工作重点。
除了骨髓间充质支架的直接加载调节免疫细胞,msc可以系统注入消炎。刘等人。203年发现炎性细胞因子(IFN -γ和肿瘤坏死因子-α)植入网站表达下调的系统性注入msc,因为这个方法可以上调亚群。这种方法还可以在MSC-seeded促进骨再生支架(203年]。系统性回顾表明,系统性的msc可以促进骨再生动物模型(204年]。然而,详细的机制应该在将来的研究中探索。
5。结论
本文主要侧重于msc及免疫细胞之间的相互作用和相关调节骨组织工程。在特定条件下,免疫细胞能促进招聘,msc的增殖和成骨分化。msc还能对各种细胞起到免疫调节作用。在针对msc及免疫细胞之间的相互作用,不同的调节管理免疫细胞或msc促进骨再生临界骨缺损。生化刺激(生物活性蛋白质或多肽,nonamino酸药物、金属离子和纳米粒子)和生物物理刺激(内部结构刺激,外部机械刺激,和电磁刺激)可用于调节免疫细胞促进MSC骨生成。修改MSC和系统性MSC输液可以利用调节免疫细胞的骨再生。
虽然有些进步了msc及免疫细胞之间的相互作用,更详细的交联是必要的解释,因为它可能会提供一个有益的外科骨修复骨组织工程的基础。目前,调节免疫细胞的影响骨再生主要是基于msc刺激从M1巨噬细胞极化切换到M2巨噬细胞极化。然而,适当的M1巨噬细胞激活最初的噬菌体也有利于骨再生。因此,未来的研究应该集中在顺序M1和M2巨噬细胞的极化。除了巨噬细胞的免疫细胞参与msc及免疫细胞之间的相互作用,所以对其他免疫细胞调节影响msc骨再生应该也发达。此外,修改msc显示骨组织工程中的应用潜力,但生物安全问题应该得到解决。总之,外科骨修复骨组织工程应考虑msc及免疫细胞之间的相互作用。因此,这种技术可能最终促进骨组织工程的临床治疗。
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
王Zhuowen Renxin Chen,彝族,Hongzhen朱镕基写初稿;彭Jingfeng李和张修改后的初稿;Yingkun胡锦涛和天虹陈参加最初的草案的修订;和李Jingfeng负责监督。Zhuowen Renxin Chen,易王,朱Hongzhen贡献同样这项工作。Zhuowen Renxin Chen,易王,朱Hongzhen co-first作者。
确认
我们感谢基金支持的工作,其中包括中国的国家自然科学基金(81871752);湖北省自然科学基金(2020号cfb551);武汉大学中南医院的科学,技术和创新(没有种子基金。cxpy2019074);转化医学和跨学科研究联合武汉大学中南医院基金(没有。ZNJC202014)。