文摘
Hypoxia-mimetic代理是MSC启动新的潜在工具而不是缺氧孵化器或者室。一些制药/化学hypoxia-mimetic代理可以用来诱导组织缺氧:去铁胺(柴油),dimethyloxaloylglycine (DMOG), 2, 4-dinitrophenol (DNP),氯化钴(CoCl2),异氟烷(ISO)。Hypoxia-mimetic代理可以增加细胞增殖,维持或增强分化潜能,提高迁移潜力,浓度和诱导新生血管形成,干细胞的方式对话框进行更多。此外,hypoxia-mimetic代理可能会增加HIF-1α,改变新陈代谢,增强糖酵解像缺氧。所以,有明确的证据表明,治疗hypoxia-mimetic代理在再生医学是有益的,保护干细胞的能力。这些代理并不像缺氧的研究广泛,但考虑到低成本和易用性,据信找到应用程序作为预处理的许多疾病,如缺血性心脏病和心肌纤维化和促进心脏和软骨再生。MSC启动至关重要的知识评估安全程序和在诊所使用。综述、异同缺氧和hypoxia-mimetic代理的详细治疗被认为是效率。优势,挑战,和未来的角度与缺氧MSC启动模拟代理进行了讨论。
1。介绍
人类组织和器官的正常运行依赖于自然的再生过程。再生潜力主要是由干细胞和祖细胞的后代取代年龄或受伤的细胞在需要的时候(1- - - - - -3]。间充质干细胞(msc)基质细胞自我更新和显示多能——一起独特的免疫调节特性。许多研究正在进行msc治疗神经退行性或immune-derived炎性疾病1,4,5]。可以从成人组织分离msc(如骨髓(BM),脂肪组织(广告),骨骼肌(SM)和牙髓(DP)) (6- - - - - -9]或胎儿组织(如胎盘、羊水(AF),沃顿果冻(WJ)和脐带(加州大学))(10,11]。表皮干细胞、多功能烹饪和前兆和其他干细胞也可以有效地隔绝人类皮肤(12]。
2020年7月,1138名临床试验注册clinicaltrials.gov [13),主要是在创伤学,肺病学、神经学、心脏病学和免疫学14- - - - - -19]。大多数注册在阶段1例(Ph1)和2 (Ph2)的临床试验。特定阶段的临床试验的比例在上述领域如下:在创伤学(共234例),Ph1的30.7%,58.5%在Ph2 Ph3, 9.8%和0.8% Ph4;在气体力学(共99例),43.4%在Ph1 Ph2 53.5%, 3.0%在Ph3, Ph4和0%;在神经病学(共97例),31.9%在Ph1, 62.8% Ph2, Ph3, 4.1%和1.0% Ph4;心脏病(共83例),25.5%在Ph1 Ph2 60.2%, 14.4%在Ph3, Ph4和0%;免疫学(共78例),Ph1的17.9%,64.1% Ph2, Ph4 (Ph3 17.9%, 0%13,16]。18个临床试验的结果已经被描述(16),骨髓是最常见的孤立的细胞来源。msc发现潜在应用治疗多发性硬化症(MS)、克罗恩病(CD)、糖尿病(DM)、移植物抗宿主病(GVHD),拒绝在肝移植手术后,肝脏疾病(5),急性和慢性伤口(20.,21]。
尽管有这样的显著进展,仍然存在许多挑战。临床应用需求的系统性管理大量的干细胞(每个病人50 - 200)[16,22]。干细胞在人体组织的数量通常是小(23),及其有效的扩散在体外是具有挑战性的24- - - - - -26]。MSC老化和自发分化都是可能发生的因素在体外。孤立的干细胞通常生长在体外在环境条件下,氧浓度的四到十倍干细胞利基(27- - - - - -30.]。因此,高氧浓度在MSC文化导致过早衰老和核子损害,并可能增加一倍时间31日- - - - - -33]。可怜的MSC移植后移植还透露(34]。
在过去的几年里,大量的低氧启动方法探索了MSC临床应用(35,36]。msc在缺氧培养(37]演示增强扩散,免疫调节特性(38- - - - - -43嫁接后),有效的生存,和新血管形成。
因此,几个hypoxia-mimetic代理可以导致组织缺氧,例如,去铁胺(柴油),dimethyloxaloylglycine (DMOG), 2, 4-dinitrophenol (DNP),氯化钴(CoCl2),异氟烷(ISO)。他们能有效地取代缺氧钱伯斯在MSC /孵化器启动?本文寻找这个问题的答案,并讨论异同缺氧和hypoxia-mimetic剂的影响。氧气浓度、培养时间和MSC治疗水平详细描述。以来仍有一些歧义在文献中关于缺氧MSC生产的标准方法,将广泛地讨论了这个问题。
总结最近发现在本文的缺氧,我们搜索PubMed,斯高帕斯,科学科学指引和Web数据库可能相关的研究从2006年到2021年9月发表在英语。原始文件,系统评价,综述了本章节。搜索策略首先集中在关键条款:缺氧,缺氧模拟代理,间充质干细胞,MSC的临床应用。这些标准已经扩展和更详细的条款:应用程序在再生医学、细胞治疗、细胞疗法,间充质细胞的来源(沃顿果冻、脐带、骨髓、脐带血,脂肪,和牙髓来自人类,老鼠,和鼠标),和化学品:去铁胺、氯化钴、异氟烷,dimethyloxaloylglycine,和2,4-dinitrophenol。我们排除了研究招收缺氧/ hypoxia-mimetic代理一起具体佐剂免疫调制剂等。
2。缺氧的作用干细胞利基
干细胞利基是一个微环境,控制干细胞的功能和命运44]。形态因子、生长因子、细胞因子、氧张力,细胞外基质,剪切应力可以影响干细胞利基(内5,45]。
的msc可以找到利基市场接近全身毛细血管(46]。msc所在组织的氧浓度很低,尽管他们的有效的血管化47,48]。人体组织的氧浓度远低于吸入空气中(21%)。这是因为吸入空气的氧浓度不断下降,进入肺部,当它到达器官和组织,它的浓度范围从2%到9% (49,50]。因为O的浓度2在胚泡细胞和干细胞领域非常低,氧紧张往往是他们的代谢环境的关键。缺氧维持造血的表型,胚胎,神经,间充质干细胞和干细胞的功能和影响命运。此外,缺氧作用于干细胞通过不同的分子途径,包括信号的相同器官translocation-associated(果蝇)(切口)和octamer-binding转录因子4 (Oct4),具备干细胞控制器(25]。
干细胞是生理适应缺氧。因此,低氧启动应该保持msc处于未分化状态,保持其功能和可塑性。
3所示。缺氧和Hypoxia-Mimetic MSC启动代理
受伤的组织血管化差(尤其是在缺血性损伤)和无法植入not-primed MSC的新陈代谢保持在一个适当的利率;因此,大多数细胞凋亡移植后不久。这是由于干细胞生长在normoxia无法很快适应缺氧的条件。因此,移植后生存,必须训练有素的体外干细胞维持缺氧条件(51]。
最简单的解决方案是在低氧条件下培养msc。各种缺氧孵化器和钱伯斯被用于MSC文化。然而,使用都有局限性52]。他们认为,制药/化学药剂更有价值,因为它们提供氧张力稳定高于缺氧钱伯斯和并不昂贵53]。
现在的问题是否出现药物或化学hypoxia-mimetic代理行为类似于干细胞。在回答这个问题之前,我们打算讨论缺氧的影响至关重要的MSC的特性。
3.1。细胞表面标记和形态
最重要的MSC具备干细胞特性是他们immunophenotype定义根据国际社会细胞治疗(ISCT)。msc表达CD90、CD105和CD73抗原,不表达CD11b, CD14、CD19、CD45、CD34, CD79a抗原,也不是人类白细胞antigen-DR同形像(HLA-DR)。蛋白质SRY-box转录因子2 (SOX2)和Oct4发生在胚胎干细胞(ESC)像(54]。其他表面标记的表达依赖于MSC组织来源。同源框转录因子NANOG,减少表达式1 (REX-1), T细胞受体α轨迹1-60 (TRA-1-60),交易- 1 - 81,stage-specific老鼠胚胎抗原(SSEA-3)和SSEA-4标记发现了msc与人类肝细胞和胎儿血液但不是来自成人骨髓(55,56]。
缺氧的影响启动MSC表面标记是总结表1。缺氧条件下的氧范围2 - 5%保护表面标记物的表达在msc。只有在低氧浓度的1%是不确定的结果。消极的表达表面标记O维持在1%2(57- - - - - -59),但一些研究显示减少的表达积极的标记。normoxia相比,MSC表面CD44和CD105减少从90%到75%,从99.4%提高到94.9%,分别是指出57]。Upregulation其他干细胞标记Oct4、REX-2或NANOG是(38,60]。
同样重要的是维持适当的msc在形态学融合。而增加细胞密度和数量的段落显著改变MSC的形态下normoxia并导致细胞收缩在高密度,低氧条件保留MSC的梭形,细胞可以分裂甚至在高密度,允许多层地层(38]。同样,msc治疗hypoxia-mimicking代理柴油没有改变他们的形态。然而,一些细胞内vacuole-like结构可能发生在细胞(61年]。
总而言之,干细胞表面标记物的表达通常是保存在缺氧,但取决于氧浓度下,曝光时间,组织,和msc的捐赠者。最新的,没有数据的影响上hypoxia-mimicking代理MSC表面标记表达式。
3.2。生存能力、扩散和Clonogenicity
高增殖率对干细胞治疗的成功实施至关重要。氧浓度和培养时间可能会影响整个缺氧影响干细胞,尤其是他们的生存能力,扩散,clonogenicity。
3.2.1之上。缺氧
如表所示2、扩散、可行性和clonogenicity的干细胞来自各种组织至少30条件下研究了不同氧浓度和培养时间下氧浓度降低。
在19日条件下,增加观察msc的增殖或clonogenicity氧浓度范围从1到5%。这些30条件考虑,降低细胞生存能力在8。这种差异与氧气浓度自增殖抑制观察氧气浓度在1%和5%。也不依赖于细胞生长在缺氧的时间,因为抑制扩散的为期两天的接触降低氧浓度和后21天暴露在氧气浓度相似。这些不同的影响也可以出现在一种类型的干细胞,如BM-MSCs。同样,测试方法对结果的影响不能认为,例如,台盼蓝染色,在显微镜下计数细胞用于精化的条件导致矛盾的观察。因此,可能更微妙的分子现象发生在干细胞种植在缺氧条件下应该调查,如转录组和代谢组的hypoxia-treated细胞。
更高的msc增殖可以归因于从有氧无氧呼吸通过氧化磷酸化和糖酵解,分别为(67年]。葡萄糖的增加消费和乳酸生成UC-MSCs缺氧文化例证上述代谢变化和可能需要增强葡萄糖运输进入细胞。MSC增殖增加缺氧下提高葡萄糖吸收的重要碳源必需营养素的生物合成。作为糖酵解代谢途径的参与(乳酸脱氢酶,LDHA),氧化磷酸化(3-phosphoinositide-dependent蛋白激酶1,PDK-1),细胞葡萄糖运输(细胞葡萄糖transporter-1, GLUT-1)、磷酸戊糖途径(glucose-6-phosphate脱氢酶、G6PD)和低氧诱导因子1α(HIF-1的重要目标α转录因子是在氧浓度下降(63年,68年,69年]。
HIF-1α是一个关键的转录因子,调节缺氧适应性反应。许多蛋白质与HIF-1直接反应α增加或减少他们的活动。HIF-1α稳定提高MSC的增殖率,可能增加他们的治疗潜力70年]。
减少细胞衰老和抑制端粒的缩短也观察到在msc在缺氧条件下62年,63年,71年,72年]。缺氧下凋亡抑制的机制可能与细胞肿瘤抗原(p53)通路抑制[73年]。减少O2紧张也可能导致低水平的活性氧(ROS);增加的主要因素是由于细胞损伤(74年]。
(1)MSC的基因表达。细胞的低氧适应需要分子通路的变化。缺氧调节数百个基因的转录,扮演一个角色在血管生成等氧依赖性的作用,糖酵解,新陈代谢,增殖和凋亡75年]。大多数这些变化是HIF-1α端依赖和转录调控。HIF-1α也受到表观遗传机制如组蛋白修饰、DNA甲基化和非编码RNA-associated基因沉默(76年]。因此,表观遗传修饰是额外的缺氧中基因表达的调节机制和增强或抑制他们的活动。然而,微rna (microRNA)功能的贡献在缺氧和DNA甲基化还没有完全理解77年]。此外,短非编码rna和microrna分子,调节基因的表达,是由缺氧在干细胞领域(78年]。一些microrna的调节血管内皮生长因子(VEGF),刺激血管生成和严格控制低氧诱导细胞改变(77年,79年]。
表观遗传机制之外,缺氧移植在135个基因管理几个生理途径,例如,糖酵解,新陈代谢,扩散/生存,转导,信号转导在BM /脐血- (UCB) msc在氧气从1.3%到10%不等75年,82年]。短期缺氧会使proapoptotic基因如BCL-2-associated X (伯灵顿),b细胞淋巴瘤2 (bcl - 2)和半胱天冬酶3 (CASP-3)(表2),从而防止细胞移植后细胞损伤(57]。
1 - 5%低氧条件(O2)的表达增加HIF-1α联合银行——在BM -,脐带(加州大学),和WJ-MSCs58,64年,69年]。的差别只有Antebi等人指出对这些HIF-1α下1%的缺氧BM-MSCs [57]。Upregulation能量代谢相关的基因GLUT-1,PDK-1,LDH注意到在1.5,2.5,5%啊2(69年]。过度的Slc16a3(一个基因monocarboxylate transporter-4 MCT-4)在长期缺氧mBM-MSC是指出68年]。增殖/生存的基因的表达Vegf-d胎盘生长因子(Pgf)和基质金属蛋白酶9 (MMP-9)也提高1.3和10%啊2相比normoxia [75年]。的上升切口、切口配体锯齿状的观察,表明缺氧和Notch信号通路之间的联系。此外,增强扩散hWJ-MSCs缺氧下证实了Notch-related扩散(64年]。
(2)msc在文化的再氧化。如前所述在表2,有另一种方法来培养细胞氧气有限的可用性。它包括15分钟的预处理为2.5%2在环境条件,30分钟再氧化,最后调节为2.5%272 h。这种情况被用于hUB-MSC文化,显著提高细胞增殖和迁移在体外。
复氧过程短暂缺氧后启动增强prosurvival基因的表达与大量的血管生成和营养因素,如碱性纤维母细胞生长因子(bFGF)和VEFG msc (18,60,84年,86年]。此外,其他的积极作用包括乳酸脱氢酶的释放,降低活动还存在apoptosis-related,降低细胞对缺血造成的再氧化MSC文化(57,87年]。
(3)球状体。使用一个球体短期缺氧1% O2提出了一种优势超过单个细胞的移植。在本地组织更好地模仿细胞行为球状体,提高生存能力,血管生成和免疫调节属性(88年]。此外,交互的msc内生ECM内增加球状体扩散影响骨组织修复和维持成骨分化潜能。MSC启动的协同与缺氧和MSC球体移植被认为是一个好的细胞治疗由于生存,增加血管生成潜力,和骨形成。此外,加强与ECM互动,促进骨生成球状体。因此,MSC启动在缺氧和球状体移植可以有效再生医学(89年]。
3.2.2。药物和化学Hypoxia-Mimetic代理
在商用制药/化工hypoxia-mimetic代理,以下是下面讨论:柴油,DMOG, DNP CoCl2和ISO。
柴油是一种螯合剂用于删除过多的铁或铝从身体90年]。柴油稳定HIF-1α在normoxia;因此,它是一个合适的hypoxia-mimetic代理(91年]。DMOG prolyl羟化酶抑制剂。DMOG调节HIF-1α在缺氧和磷酸化。通过抑制因子抑制HIF-1 DMOG行为α(FIH-1)和prolyl羟化酶通过竞争性抑制2-oxoglutarate (2-OG)。它表明DMOG可以由于HIF-1糖尿病的有效药物α规定(92年,93年]。DNP增加耗氧量的增强氧化代谢(94年]。CoCl2人为地导致缺氧和可以阻止HIF-1的退化α蛋白质,从而诱导其积累(52,95年- - - - - -97年]。ISO是一个不稳定的麻醉代理。因为它的cytoprotective能力,这是一个很好的候选人激活HIF-1 hypoxia-mimetic代理α(98年]。
(1)细胞毒性。表3介绍了结果MSC对药物或化学诱导缺氧生存能力。
大多数研究进行了柴油。它被用于浓度范围为0.1 -500μm。柴油直到120年才损害msc的可行性μ米(97年,99年,One hundred.]。与柴油MSC治疗的标准预处理协议(48 h浓度为3μ米)可以替代治疗12小时50浓度μ米(99年]。柴油的藤泽等人表现出显著的细胞毒性的浓度为10μ米对BM-MSCs但只有53天的长期治疗后61年]。
BM的可行性、加州大学,广告,和DP-MSCs CoCl时被保留2用于24 - 48小时的浓度100μ米(101年]。CoCl2在500年的浓度μMSC可行性[M大大降低102年]。DMOG noncytotoxic直到达到5毫米的浓度(103年]。DMOG也增加了BM-MSC cocultured细胞的增殖和人类脐静脉内皮细胞(HUVEC) [52]。ISO hBM-MSC代谢增加2%的浓度和培养时间为4 h (98年]。DNP 0.25毫米的浓度没有伤害rBM-MSCs coculture心肌细胞,但治疗时间很短(20分钟)。否则,这种化合物可以是剧毒。细胞略有萎缩,但他们的再氧化2-24小时后恢复正常形态。因此,这些结果暗示文化协议和化合物浓度的差异可能是至关重要的成功实施缺氧和hypoxia-mimetic剂的再生医学。
(2)代谢组。细胞的代谢变化发生在适应缺氧。代谢组分析显示缺氧治疗和柴油管理影响细胞的新陈代谢。
msc表现出代谢变化在柠檬酸三羧酸(TCA)周期中,氨基酸、肌酸、尿酸、嘌呤和嘧啶代谢在两种类型的治疗。DFO-derived缺氧影响柠檬酸cycle-related新陈代谢增加aconitate, alpha-ketoglutarate (α公斤)、苹果酸和柠檬酸浓度、减少和延胡索酸酯通过还原羧化作用反向克雷布斯循环。这些影响更明显比自然缺氧(DFO-induced只有在增加α公斤级)(61年]。α公斤细胞氧化提供能量的营养素。增加α公斤级需要在增强细胞增殖。谷氨酸和谷氨酰胺的前体,α公斤作为一种抗氧化剂代理和直接与过氧化氢反应。柴油更强的调节α-KG缺氧相比,提供更好的抵御活性氧(104年]。
低水平的苹果酸、延胡索酸酯在缺氧对细胞起到了积极的影响。相比之下,高水平的这些化合物是有害的,导致癌症发展(通过调节慢性增生性信号)105年,106年]。
嘌呤和嘧啶代谢的障碍也有害细胞,和尿酸水平升高产生嘌呤的代谢可能负责人类疾病如血管炎症,动脉粥样硬化,关节,和痛风退行性疾病(107年]。自从phosphoribosyl焦磷酸(PRPP)是一种酶参与合成嘌呤和嘧啶核苷酸,水平提高下DFO-derived缺氧(61年,108年]。
此外,1%低氧迸发的水平1号腺苷,压力标记,而DFO-primed msc (61年,109年]。需要进一步的详细调查这个话题(61年,110年,111年]。
总而言之,DFO-induced缺氧影响小MSC代谢变化而缺氧。到目前为止,只有柴油详细代谢物研究已经完成。代谢物研究的其他hypoxia-mimetic代理需要理解他们的行动的机制和可能的短期和长期的副作用。
(3)MSC的基因表达。所有hypoxia-mimetic代理这里讨论增加HIF-1的表达α,中央控制器的自适应缺氧细胞反应,和增强糖酵解类似缺氧(4,53,61年,98年,99年]。柴油上调的基因与糖酵解:己糖激酶2 (HK2),PDK-1、bcl - 2相互作用蛋白3 (BNIP3),LDHA(61年]。柴油上调NUPR和p16表达,提高细胞存活率(99年]。它还引发HIF-1水平的增加α由50 - 110%,而DMOG提升HIF-1α通过2 - 3次,小于CoCl2刺激HIF-1α比normoxia 2 - 5倍。ISO HIF-1演示了最高的影响α表达式(150 - 400%的增长)。此外,通过增加DMOG HIF-1α的表达和激活磷酸肌醇3-kinases /蛋白激酶(PI3K / Akt)信号通路调节细胞生存和凋亡[103年]。DMOG降低心肌细胞凋亡(112年通过PI3K / Akt通路激活)。稳定的HIF-1α和激活的PI3K / Akt通路对VEGF upregulation是至关重要的。
3.3。分化
分章介绍缺氧的影响和制药/化学hypoxia-mimetic因素对MSC分化。多向分化的能力是一个关键的MSC的标志。此外,分化潜能和MSC的增殖率取决于类型的细胞来源。
3.3.1。缺氧
如上所述,干细胞代谢适应缺氧在体外(113年]。问题是他们在缺氧而normoxia区分同样有效。细胞可以生长在缺氧诱导分化过程之前适当的媒体(预处理),或低氧张力保持在文化分化(治疗)。在表4数据可用,我们总结了缺氧对msc的命运在媒体增长或分化培养。
缺氧预处理和治疗可以维持或减少MSC的成骨的潜力。这些影响被观察到氧浓度BM -从1到5%,广告,联合,UC -, WJ-MSCs。它可能是相关的低表达高山和ALPL基因编码碱性磷酸酶和IBSP基因编码一种integrin-binding唾液蛋白在广告和BM-MSCs。然而,Boyette等人指出增加BGLAP,RUNX2,COLL2在hBM-MSC [65年]。
缺氧预处理和分化在低氧条件下O (1 - 5%2UCB)保存BM -广告————,UC -, WJ-MSC能力去(84年,114年]。UCB - BM -广告-,加州大学,和WJ-MSCs,下面的脂肪形成的标志基因的表达,脂蛋白脂肪酶(LPL),PPARα、过氧物酶体proliferator-activated受体(PPARγ)和脂肪酸结合蛋白4 (FABP4),保持甚至增加。
然而,不确定的观测问题分化成软骨的能力。缺氧预处理[下Chondrogenic潜在可能升高62年,81年,82年,84年,116年)和维护或减少在缺氧分化WJ -和O BM-MSC 1 - 2%2(64年,65年]。chondrogenic SRY-box标记基因表达的转录因子9 (SOX9)和胶原蛋白II型α1链(COL2A1)上面的广告模式——,BM -, UCB-MSCs。
缺氧预处理/治疗影响MSC分化过程有效性相关的通道数。在初级细胞系和低数量的段落,msc保持分化潜力相比,细胞通过很多次在体外文化在缺氧(31日,66年,116年]。的差别,对这些FABP4,LPL,ALPL,IBSP基因陪同msc的能力减弱。
此外,单个干细胞在缺氧的特点是提高水平的plasticity-dependent标记基因等NANOG,REX-1,或Oct4(117年]。观察各msc的成骨的增长潜力相比,单层细胞培养在normoxia [118年]。Oct4自我更新是一个重要的转录因子,它存在于msc在低水平在每个通道(通道数量越高,低Oct4级别)。具备干细胞改善由于更高的表达Oct4可能导致增加缺氧影射干细胞的分化潜能(89年,119年]。
3.3.2。药物和化学Hypoxia-Mimetic代理
根据表5,DFO-derived缺氧治疗分化期间保持成骨潜力和其相应的标记基因的水平高山和Runt-related转录因子2 (RUNX2)。
柴油治疗保持或降低脂肪形成的潜在的同时增加了软骨形成和表达的SOX9。这些影响被观察到在BM - UC-MSC程度天的治疗后(61年,97年,120年,121年]。
CoCl2派生的缺氧预处理增加骨生成和调节高山,Col1和骨钙素(Bglap)基因治疗时保持分化成骨的潜力和的表达RUNX2,高山,科利。这些影响被观察到在mC3H / 10 t1/2 msc和UC-MSCs 1 - 9天52,97年,101年]。小鼠C3H10T1/2细胞胚胎发生的细胞与间充质干细胞的特性,因此代表了有趣的研究对象。他们有潜力成为一个有吸引力的替代来源的主要BM-MSCs成骨和chondrogenic分化再生医学的研究(122年]。CoCl2派生的缺氧预处理减少脂肪生成和标记基因Apetala 2 (aP2),CCAAT / enhancer-binding蛋白质α(C / ebpα),Pparγ在mC3H / 10 t1/2 MSC 24 - 48小时。相反,CoCl2派生缺氧治疗保持adipogenicity BM-MSCs了8天(101年,123年]。CoCl2派生的缺氧预处理和治疗增加软骨形成和chondrogenic标记基因的表达SOX9,Coll2a1,VCAN和aggrecan (能)在mC3H / 10 t1/2、BM -加州大学,广告,和DP-MSCs 2-21天(53,101年,124年]。
DMOG-derived缺氧治疗BM-MSCs骨生成和维护RUNX2表达和调节高山和COLLIA19天(52以及软骨形成SOX921天的标志(124年]。
骨折利基缺氧;因此,氧张力是骨愈合的关键。阮等人进行了直接coculture BM-MSCs和HUVEC normoxia和化学激活与CoCl缺氧2和DMOG。根据CoCl缺氧诱导2,冯Hippel-Lindau蛋白质(pVHL)结合HIF-1 oxygen-degrading域和防止羟基化α通过氧依赖性prolyl羟化酶(博士)抑制(127年]。DMOG可以直接抑制博士和稳定HIF-1α(124年,128年normoxia相比)。Normoxia通常促进骨形成在msc和HUVEC coculture,而缺氧有利于血管生成。DMOG比CoCl更有前途的hypoxia-priming代理2因为它更强的增强内皮marker-von血友病因子(VWF)和VEGF (129年]。此外,coculture(比1:1)BM-MSCs HUVEC促进骨生成的msc normoxia下,缺氧甚至加强了这一效果(52]。
不幸的是,到目前为止,没有数据的影响DNP或ISO MSC分化在文献中是可用的。关于公布的结果,它可能是假定制药/化工hypoxia-mimetic代理对MSC分化的影响类似于缺氧。然而,这种增强的时期还没有被研究过。当前可用的科学数据也不允许结束hypoxia-inducing化学制剂是否能有效地减少对细胞分化所需的时间。
3.4。嫁接、移植和分泌概要文件
成功的MSC移植在再生医学是至关重要的。高增殖率和显著的趋化因子受体的表达在msc是归因于年轻细胞提供移民和潜在治疗移植后增加(45]。
最新数据表明,趋化因子及其受体在迁移至关重要,趋化性和归巢在体外和在活的有机体内(130年]。有不同BM-MSC-related趋化因子受体,如科学家,但缺乏足够的数据都可以在其功能在细胞疗法131年]。老鼠大脑缺血模型表明,趋化因子碳碳主题趋化因子配体2 (CCL25)和C-X3-C主题趋化因子配体1 (CX3CL1)也会影响MSC趋化作用[131年]。此外,CC-type趋化因子参与细胞移植和改造后移植(130年]。
HIF-1α导致upregulation msc的趋化因子受体(132年]。在缺氧条件下,稳定HIF-1α转移到细胞核HIF-1绑定β异质二聚体形成。随后,异质二聚体高度缺氧反应(hr)与CREB-binding元素蛋白质/ p300蛋白质(CBP / p300) [133年,134年和趋化因子受体的表达增加了C-X3-C主题趋化因子受体1 (CX3CR1), 7 (CXCR7) C-X-C趋化因子受体类型,C-X-C主题趋化因子受体4 (CXCR4)。缺氧可增加趋化因子受体CXCR4表达式[135年]。低氧诱导的upregulation趋化因子受体CXCR4可能由于HIF-1α稳定(136年]。代谢的灵活性的特点之一,就是由msc、帮助他们生存压力缺血性和维护multipotency [137年]。HIF-1α主监管机构之一是控制细胞对低氧引起的紧张水平(138年]。
HIF-1α也参与了人力资源的激活引起的趋化因子受体CXCR4表达Ets1启动子,趋化因子受体CXCR4的转录因子。氧气水平的变化是一种趋化因子受体CXCR4表达的重要调节器。缺氧稳定趋化因子受体CXCR4成绩单,导致增加CXCR基因的表达。它表明受缺氧RNA结合蛋白可能影响趋化因子受体CXCR4稳定其mRNA转录后的水平(139年]。
在组织工程血管生成是至关重要的,因为组织血流量恢复和新血管的形成(140年]。Proangiogenic因子(VEGF和基质金属蛋白酶(MMPs))和抗血管新生因子(血管内皮抑制素和组织金属蛋白酶的抑制剂(TIMPs))参与血管生成调节(141年]。proangiogenic蛋白质在中风和心肌梗死的治疗中的应用已报告(142年]。
3.4.1。缺氧
如表所示6,缺氧增加MSC迁移通过upregulation趋化因子受体CXCR1和趋化因子受体CXCR4。
这种效应在O2当BM -浓度范围从1到5%,UC-MSC种植8-48小时(60,81年]。的趋化因子受体CXCR4C57BL / 6小鼠基因表达降低BM-MSCs暴露在急性缺氧normoxia相比。的减少趋化因子受体CXCR4基因表达可能导致长期的文化细胞normoxia急性缺氧休克紧随其后。在下一步中,MSC复氧后缺氧导致的趋化因子受体CXCR4基因表达减少。的减少趋化因子受体CXCR4基因表达在第二阶段的再氧化可能是由于细胞的兼容性新氧conditions-hypoxia normoxia的抑制效应趋化因子受体CXCR4启动子(143年]。
缺氧也增加msc的血管生成能力。这种效应可能会观察到在O2孵化后浓度从1%到5%不等BM-MSCs[2 - 4天57,80年,89年]。的VEGF在缺氧条件下基因表达增加(119年,144年]。VEGF和检验1 (Ang-1)起到至关重要的作用在血管生成,和增加对成功是至关重要的干细胞移植(102年,145年]。减少高机动组盒蛋白1 (HMGB1)核蛋白质在缺氧被认为保护组织免受损害(80年]。MSC的促进血管化和骨形成球状体89年]。
细胞迁移、血管化和组织重建骨MMP / TIMP依赖。TIMP蛋白质家族控制基质金属蛋白酶的功能。MMP-2、MMP-9 MMP-13, TIMP-1至关重要在骨形成和修复(65年]。MMP-9 MMP-13参与招聘和激活破骨细胞(146年- - - - - -148年]。MMP-2生成空间溶骨的结构和矿化(至关重要149年]。失去它的功能可以扰乱增殖和成骨细胞的分化,令人不安的骨骼发展(150年),和突变MMP-2基因可能导致骨骼疾病(151年]。缺氧预处理upregulation许多MMP的和TIMP基因在5%啊2十天在BM-MSCs [65年,152年]。长期缺氧培养移植MMP7-16和TIMP1-3但会使MMP2。很少有实验这一主题,但它需要进一步调查。
心脏损伤是现代文明的常见疾病之一153年]。心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞和血管周的细胞在心脏体内平衡是至关重要的。移植两个细胞,心肌细胞(CMs)和血管细胞,表现出更好的治疗效果在梗塞的心中(154年]。此外,细胞与内皮细胞的coculture提高了细胞的生存在体外(155年]。新的,更高效的策略仍然是需要的。马修等人指出,hESC可能重返多能性在缺氧条件下,这去分化取决于HDAC活性(156年]。iPSC研究似乎非常有前途的,因为它不提高hESC等伦理问题(157年]。实用的方法来区分小鼠iPSC-derived心肌细胞,结合缺氧和生物反应器控制培养条件,已经被描述(158年]。细胞外囊泡(EVs)吸引了研究人员的注意,因为他们模仿能力msc引发的所有治疗效果(例如,抗炎、proangiogenic或antifibrotic) (159年]。因此,MSC-derived EVs可以调节组织应对广泛的伤害(160年),被认为是细胞治疗的替代品。临床研究使用液在治疗心血管疾病的早期阶段(161年- - - - - -163年]。例如,液源自BM-MSCs [161年,163年]或脐带(UC) msc (164年)显示的积极影响心脏功能(MI)的临床前模型[165年]。缺氧和柴油的MSC预处理EV交付是再生医学的发展战略(166年,167年]。
3.4.2。药物和化学Hypoxia-Mimetic代理
如表所示7,制药/化工hypoxia-mimetic代理可以提高msc的迁移和血管生成能力。
增加移民观察与柴油和ISO BM - WJ-MSC孵化后4 - 72小时(98年,One hundred.,115年]。VEGF表达的增加在WJ -指出,广告,和BM-MSCs与柴油治疗后,DMOG或DNP 20分钟和48小时94年,115年,168年]。
应用MSC预处理与DMOG收获的细胞应用治疗心脏缺血(4,92年),软骨再生(124年人口(岁)和骨再生的45,80年]。DNP已经用作hypoxia-mimetic代理等许多细胞类型新生儿心肌细胞,神经元,H9C2,胚胎心肌细胞(169年- - - - - -171年]。预处理的干细胞DNP改善附着力,生存,导航能力,cardiomyogenic基因等叫绑定蛋白4 (Gata-4),NKX2同源框5 (Nkx2.5)、联接蛋白43 (Con43)、心房利钠肽(Anp),Vegf(168年]。MSC启动与DNP心肌再生过程中使用(94年和改善心脏功能168年]。同样,msc预处理与ISO提高了移民和移植到缺血大脑(中风)的大鼠模型98年]。
缺氧增加msc的迁移和血管化和保护他们免受细胞凋亡。据透露,制药/化工hypoxia-mimetic代理加强趋化因子受体的表达,VEGF比缺氧。具体的效果取决于hypoxia-mimicking代理。此外,趋化因子受体研究只进行了柴油和ISO。没有数据上其他hypoxia-derived代理趋化因子表达的影响。此外,没有信息基本蛋白和MMP / TIMP变化在治疗与代理hypoxia-mimetic msc。
4所示。结论
临床应用msc给不足影响由于低生存,保留或细胞分化的不足。缺氧条件下模拟自然组织环境保护胚胎发育和干细胞的多能性,增强血管生成。MSC启动至关重要的知识评估安全程序和潜在在诊所使用。缺氧预处理在体外使用2 - 5%氧浓度。它保留了MSC分化潜力,移植趋化因子受体,和延迟细胞衰老的方式对话框进行更多。有明确的证据表明,缺氧预处理和治疗都是有利于MSC分化。缺氧启动证明作为一个实用的方法治疗缺血性中风和其他残疾。
越来越多的制药/化工hypoxia-mimetic代理同意缺氧钱伯斯和孵化器,表演同样根据当前的知识(图1)。制药/化工hypoxia-mimetic代理还可以增加细胞增殖,维持或增强分化潜能,提高迁移潜力,浓度和诱导新生血管形成,干细胞的方式对话框进行更多。根据当前的知识,他们通过upregulation HIF-1行动α,导致新陈代谢的变化,例如,增加糖酵解。制药/化工hypoxia-mimetic代理可能会发现在人类医学多个应用程序。柴油可用于干细胞再生医学的一般预处理(由于数据在成骨细胞的分化,相反在骨再生中的应用需要进一步调查)。CoCl2提出了软骨再生。DMOG已经应用于心肌梗死、缺血性心、脑和骨再生的老年人口。此外,它是一个更好的候选人比柴油和CoCl软骨组织再生2。DNP被认为促进心肌再生,ISO可用于治疗缺血性脑。
然而,当前文学仍然显示某些矛盾的数据缺氧对MSC的影响函数。这种现象源于使用不同的协议,文化环境、媒体组合、缺氧条件和时机,细胞捐赠者的异质性。至少在一些缺氧诱导物,我们的知识的机制是不够全面,影响他们的潜在用途。到目前为止,柴油是研究最多的MSC启动代理,似乎是一个相当安全的选择。代谢物的变化DFO-derived缺氧缺氧相比更少有害msc。许多新hypoxia-mimetic代理尚未完全特征。这些代理是DMOG之一,在MSC预处理将有巨大的潜力。
柴油和hypoxia-mimetic代理在优化处理条件下能提高MSC寿命,维持或增加其分化潜力,迁移,为成功的移植和免疫调节特性缺氧诱导物浓度。最优培养条件和制药/化学剂浓度应优化启动干细胞转化的结果在体外有效性,在活的有机体内条件。
总而言之,使用柴油和其他药理/化学预处理hypoxia-mimetic代理商积极影响MSC可行性和其他属性。他们还没有被研究过那么疯狂缺氧,但据信为许多疾病找到应用程序作为预处理考虑他们的低成本和易用性。
缩写
| 广告: | 脂肪细胞 |
| α公斤: | α酮戊二酸 |
| 高山: | 碱性磷酸酶 |
| ANP: | 心房利钠肽 |
| aP2: | 适配器蛋白质2 |
| 伯灵顿: | BCL-2-associated X |
| bcl - 2: | b细胞淋巴瘤2 |
| bFGF: | 碱性纤维母细胞生长因子 |
| BGLAP: | 骨gamma-carboxyglutamic acid-containing蛋白(骨钙素) |
| BM: | 骨髓 |
| CASP-3: | 半胱天冬酶3 |
| CD: | 克罗恩氏病 |
| C / EBPα: | CCAAT增强子结合蛋白 |
| 海关与边境保护局/ e: | CREB-binding蛋白质/ p300蛋白质 |
| CCL25: | 主题趋化因子配体25 |
| CMs: | 心肌细胞 |
| CoCl2: | 二氯化钴 |
| Coll2a1: | 胶原蛋白alpha -(2)链 |
| Cx43: | Connexin-43 |
| CX3CL1: | C-X3-C主题趋化因子配体1 |
| CX3CR1: | C-X3-C主题趋化因子受体1 |
| 趋化因子受体CXCR4: | C-X-C主题趋化因子受体4 |
| CXCR7: | C-X-C趋化因子受体类型7 |
| 柴油: | 去铁胺 |
| DNP: | 2,4-Dinitrophenol |
| 糖尿病: | 糖尿病 |
| DMOG: | Dimethyloxaloylglycine |
| ESC: | 胚胎干细胞 |
| FABP4: | 脂肪酸结合蛋白4 |
| Gata-4: | 叫绑定蛋白4 |
| GLUT-1: | 细胞葡萄糖transporter-1 |
| G6PD: | Glucose-6-phosphate脱氢酶 |
| 移植物抗宿主病: | 移植物抗宿主病 |
| hESC: | 人类胚胎干细胞 |
| HIF-1α: | 低氧诱导因子1α |
| hiPSC: | 人类多能干细胞 |
| HK2: | 己糖激酶2 |
| HLA-DR: | 人类白细胞antigen-DR同形像 |
| HMGB1: | 机动性高蛋白质组框1 |
| 人力资源: | 缺氧反应的元素 |
| HUVEC: | 人类脐静脉内皮细胞 |
| IBSP: | Integrin-binding唾液蛋白 |
| LDHA: | 乳酸脱氢酶的 |
| LPL: | 脂蛋白脂肪酶 |
| mC3H / 10 t1/2: | 小鼠胚胎间充质细胞 |
| MMP-9: | 基质金属蛋白酶9 |
| 女士: | 多发性硬化症 |
| 硕士: | 间充质干细胞 |
| NANOG: | 同源框转录因子 |
| Nkx2.5: | NKX2同源框5 |
| 切口: | Translocation-associated(果蝇)信号通路 |
| ISCT: | 国际社会的细胞治疗 |
| ISO: | 异氟烷 |
| Oct4: | Octamer-binding转录因子4 |
| 2-OG: | 2-Oxoglutarate |
| P53: | 细胞肿瘤抗原 |
| PDK-1: | 3-Phosphoinositide-dependent蛋白激酶1 |
| 博士: | 氧依赖性prolyl羟化酶 |
| PGF: | 胎盘生长因子 |
| PI3K: | 磷酸肌醇3-kinases |
| PRPP: | Phosphoribosyl焦磷酸 |
| pVHL: | 冯Hippel-Lindau蛋白质 |
| REX-1: | 减少表达蛋白1 |
| ROS: | 活性氧 |
| RUNX2: | Runt-related转录因子2 |
| SOX2: | SRY-box转录因子2 |
| SOX9: | SRY-box转录因子9 |
| SSEA-3: | Stage-specific老鼠胚胎antigen-3 |
| SSEA-4: | Stage-specific老鼠胚胎antigen-4 |
| 柠檬酸: | 三羧酸循环 |
| TIMPs: | 的金属蛋白酶组织抑制剂 |
| Tra-1-60: | T细胞受体α1-60轨迹 |
| 加州大学: | 脐带 |
| 药: | 脐带血 |
| WJ: | 沃顿商学院的果冻 |
| VEGF: | 血管内皮生长因子 |
| VEFG-D: | 血管内皮生长factor-D |
| VCAN: | Versican核心蛋白 |
| VWF: | 血管性血友病因子。 |
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
研究设计是由一个。n,文献综述由一个贡献。计算和期票啊,写草稿纸贡献了。计算和电子艺界T, writing-review editing-was由E.A.T.和H.F.
确认
这项研究受到了美国国家科学中心、波兰,在贝多芬项目(项目编号2016/23 / G / ST2/04319)和欧盟在Horizon2020计划(Laserlab-Europe项目,项目编号871124)。