MSCs治療慢性腎臟病的新認知及進展

邢健生綜述，白志明審校

(中南大學湘雅醫學院附屬?？卺t院泌尿外科，海南海口 570208)

·綜述·

MSCs治療慢性腎臟病的新認知及進展

邢健生綜述，白志明審校

(中南大學湘雅醫學院附屬?？卺t院泌尿外科，海南?？?570208)

慢性腎臟病已逐漸成為影響公眾健康的社會問題，盡管在支持療法上有所進展，但患病率和死亡率仍不斷升高。以間充質干細胞（MSCs）為基礎的治療對炎性組織及損傷組織有效，且無明顯副作用及并發癥，可能成為治療慢性腎臟病的新選擇。MSCs能“歸巢”到損傷腎組織，通過旁分泌或自分泌一些細胞因子、生長因子、趨化因子等起到保護腎功能作用。本文總結了MSCs發揮腎臟保護功能的6個不同機制，重點介紹了MSCs發揮抗腎纖維化作用的機制，并闡述了影響MSCs向損傷腎組織“歸巢”的因素及不同來源干細胞對損傷腎組織治療間的差異。目前的臨床研究主要涉及MSCs對腎移植后的治療，而與慢性腎臟病相關的研究甚少；后期需要更多關于MSCs治療慢性腎臟病有效性的研究，以確保后期臨床應用的安全。

MSCs；慢性腎臟??；腎纖維化；歸巢；臨床研究

慢性腎臟病(CKD)已逐漸成為影響公眾健康的社會問題，且發病率在全球范圍內呈持續增長趨勢；并隨著人口老齡化、糖尿病、肥胖和高血壓等患患者數的增加而進一步升高；臨床上主要以支持治療為主，包括補液控制、抗氧化、維持動脈壓、利尿等；如未得到及時有效治療，最終將發展為終末期腎衰竭(ESRD)。本文在簡要闡述CKD發病機制的基礎上，重點對MSCs發揮抗腎纖維化作用的機制、影響MSCs向損傷腎組織“歸巢”的因素及不同來源干細胞對損傷腎組織治療間的差異等進行綜述。

1 CKD的發病機制

凡能造成腎實質漸進性破壞的疾病均可引起CKD。各種急慢性疾病可通過炎癥反應、免疫反應、缺血、尿路梗阻、大分子沉積等多種機制，造成腎實質漸進性破壞，最終導致不可逆性腎損傷。

1.1 腎小球硬化及腎間質纖維化腎小球疾病是臨床上最重要的腎臟疾患，其共同特征為系膜細胞過度生長和細胞外基質過分沉積。系膜細胞是調節GFR的主要因素，其病變可導致腎小球硬化、腎小管毛細血管閉塞及GFR下降。高血壓病、腎小球毛細血管壓升高、脂質代謝紊亂、促炎細胞因子及生長因子上調、腎小球細胞內血小板浸潤、腎小球系膜細胞增殖、細胞外基質成分聚集等都參與了腎小球硬化和腎間質纖維化的發生。

1.2 慢性缺氧及腎小管間質性損傷慢性缺氧及腎小管間質損傷是ESRD的最后共同通路。缺氧時，腎素-血管緊張素系統局部激活，血管緊張素Ⅱ升高，導致腎小管間質缺氧。此外，缺氧自身也是一種促纖維化因子，可導致細胞凋亡或上皮-間質轉分化，進一步加重腎臟纖維化和慢性缺氧，構成惡性循環，最終導致ESRD。此外，氧化應激阻礙腎小管細胞對氧的利用，同時代謝需求增加，腎臟相對缺氧；腎性貧血妨礙了氧運輸，血紅蛋白每減少1 g/dl，發生ESRD的相對風險平均增加11%。

缺氧誘導因子-1(HIF-1)是一類介導缺氧適應性反應的轉錄因子，能激活許多缺氧反應性基因的表達。氧誘導的羥化酶是調節HIF-1的主要途徑。HIF-1是促紅細胞生成素(EPO)的主要調控者，而腎臟又是EPO的主要產生場所。缺氧時，脯氨酸羥化酶功能喪失，不能使HIF-1α亞單位羥基化，HIF表達增加；后者上調結締組織生長因子(CTGF)等，促使腎小管萎縮和腎間質纖維化。

2 MSCs與再生醫學

MSCs首先從骨髓中發現；隨后的研究表明，MSCs是一類貼壁生長，在體外顯示出成纖維細胞樣生長的具有多能分化潛能的中胚層系細胞；可在體外誘導分化為成骨細胞、肌細胞、脂肪細胞等。MSCs表達許多細胞表面標記物，如CD44、CD73、CD90等；而不表達CD31、CD14及HLA-DR等。

MSCs可從多種組織中獲得，包括骨髓、脂肪組織、胎盤、臍帶血等。研究發現MSCs能發揮類似血管周細胞作用，具有保持組織穩態、穩定血管的作用；此外，MSCs還能“歸巢”到損傷腎組織，通過旁分泌及自分泌作用參與機體免疫調節、抗凋亡、促血管生成及抗纖維化等發揮腎臟保護作用[1]。

動物實驗和有限的臨床研究表明：MSCs不僅對炎癥性疾病，如移植后免疫反應、多發性硬化癥、成骨不全等治療有效[2]；而且對慢性腎損傷亦有治療作用。MSCs可能是治療CKD的一種創新、有效、費用低廉的治療方法。

3 MSCs發揮腎臟保護作用的機制

2004年，Morigi等[3]第一次描述了MSCs能“歸巢”到損傷腎組織，發揮促進腎結構和功能恢復的作用。研究發現，在腎損傷小鼠中注入骨髓間充質干細胞(BM-MSC)后，BM-MSC主要“歸巢”到鄰近腎小管周圍損傷部位，而不是在腎小管上皮；這表明BM-MSC并不是直接分化成腎小管上皮細胞修復受損腎組織。隨后研究表明MSCs主要通過旁分泌或自分泌一些細胞因子及趨化因子，調控細胞間相互聯系；發揮抗炎、促血管生成、刺激內源性祖細胞、抗凋亡、抗纖維化、抗氧化、促細胞重組等功能[1，4-12]。

4 MSCs抗腎纖維化作用

腎纖維化主要發生在CKD；MSCs能夠分泌、上調或下調一些細胞因子，如FGF-2、HGF、腎上腺髓質素等，發揮抗纖維化作用。最新研究表明，轉錄調節因子1(snail1)與腎纖維化的發生密切相關；腎小管上皮細胞-間質轉分化能反應腎移植后小管上皮細胞功能的丟失及纖維化的程度[13]。

一項在大鼠CKD實驗模型的研究中發現，MSCs通過上調主要的抗纖維化因子，如HO-1、BMP-7、Smad7及HGF等起到減少腎纖維化作用。此外，MSCs還參與纖維化形成通路的調控，包括上調E-cadherin；下調細胞外基質標志物，如膠原蛋白(Collagen)、纖維連接蛋白(Fibronectin)、基質金屬蛋白酶組織抑制-1(Timp-1)及上皮細胞-干細胞過度標志物α-SMA、FSP-1、Vimentin等[14]。

研究發現給單側輸尿管梗阻小鼠模型中注入MSCs后出現腎功能紊亂的減輕和腎小管細胞的再生；未注射組小鼠的腎臟體積在第六周縮小，然而MSCs注射組體積正常，且細胞外基質沉著、FSP-1及collagen均減少(后兩者是纖維化標志)。另一組實驗中，將MSCs注入梗阻6周后已形成腎纖維化的小鼠中；發現腎功能參數提高；腎纖維化減輕，包括纖維化標記物，如Collagen和Vimentin等的降低[15]。其他CKD模型中也發現了相似的結果：MSCs通過減少纖維化標記物，如α-SMA、FSP-1、Collagen；減少腎臟保護因子，如HGF、VEGF等過度表達[7]，起到抗纖維化作用。有研究將MSCs注射到5/6腎切除的CKD小鼠的腎被膜下，在第15天及第30天時未注射組出現持續性高血壓；而注射組癥狀減輕；此外，相似的研究表明腎小球硬化指數明顯減少，在MSCs注入后的第30天，腎功能明顯提高。

HGF在MSCs抗纖維化機制中起主要作用。研究表明，將基因改造后過度表達HGF的MSCs注射到單側輸尿管梗阻動物體內；與未轉染組相比，實驗組出現α-SMA表達的明顯減少[16]。

研究發現基質金屬蛋白酶(MMP)及其抑制劑(TIMP)間的平衡對MSCs發揮抗腎纖維化亦起重要作用[17]，MSCs可能通過產生內源性的HGF及FGF-2對腎纖維化起修復作用。

然而，MSCs發揮抗纖維化的機制還未完全闡明，臨床上用于慢性，終末期腎臟病治療之前，還需更多MSCs在腎纖維化中作用的研究(見圖1)。

圖1 與MSCs發揮腎臟保護作用有關的細胞因子[1,4-13,15-16,18]

5 不同來源的MSCs及最佳劑量

在腎損傷小鼠中注入BM-MSC后，細胞“歸巢”到損傷組織，明顯增加了初始腎小管細胞的活性，這種干細胞局部促發引起的腎細胞增殖是腎修復的關鍵步驟。將人BM-MSC注入順鉑誘導的非肥胖糖尿病/重癥聯合免疫缺陷(NOD/SCID)腎損傷小鼠中發現，以5×105/只的劑量能起到最佳療效，而且沒有明顯副作用。雖然BM-MSC“歸巢”到損傷腎組織的數量有限，但和注射生理鹽水組比較，能保護腎功能和腎小管的完整性，延長動物生存期，見表1。

為了獲取新的更易來源的MSCs，源自胎盤組織(hAD)的細胞也被研究。給NOD/SCID的腎損傷小鼠注射人胎盤組織干細胞(hAD-MSC)，在第4天出現血尿素氮、腎小管管型、核碎裂、壞死等明顯改善。也有研究源自人臍帶血(hCG)和羊水(hAF)的干細胞；人臍帶血干細胞(hCB-MSC)與BM-MSC有共同的形態學特征、免疫表型、多分化潛能；然而，hCB-MSC高表達金屬蛋白酶、血管生成及基質重構的基因。給NOD/SCID的腎損傷小鼠以5×105/只的劑量注射hCB-MSC，出現腎功能的緩解和腎小管損傷的減輕；然而，與BM-MSC相比，hCB-MSC能明顯延長動物的生存期。人羊水來源干細胞(hAFS)與胚胎干細胞及成體干細胞一樣，具有高可塑性和高分化潛能，表達胚胎干細胞的標志物如OCT4；及MSCs的標志物如：CD90、CD44等。給NOD/SCID的腎損傷小鼠注射hAFS細胞，也出現腎功能的提高和腎小管損傷的減輕。與BM-MSC比較，hAFS對生存期的影響更大。這些實驗結果表明hCB-MSC、hBM-MSC及hAFS對腎損傷有治療潛能；但三者之間的差異及最佳劑量效益還需要更多的研究證實(見表1)。

表1 不同來源的干細胞對實驗小鼠腎損傷的影響[20-22]()

表1 不同來源的干細胞對實驗小鼠腎損傷的影響[20-22]()

注：a順鉑注射后4 d；b順鉑注射后7 d。

此外，在腎移植中的臨床試驗表明，注入自體或同種異體MSCs時患者耐受均良好。至于自體或同種異體干細胞的安全問題，包括瞬時致炎作用、機會性感染、對癌癥的影響及同種抗體的誘導等，動物模型表明：自體干細胞能更有效的預防或治療早期移植并發的炎癥反應，并可降低急性排斥反應的風險[19]。

6 MSCs向損傷腎組織“歸巢”

盡管大量研究表明MSCs治療能改善腎損傷，但細胞向損傷組織的低“歸巢”率和在損傷組織的低存活率可能會降低這種潛在作用。

6.1 影響“歸巢”的細胞因子MSCs向受損組織的“歸巢”受許多趨化因子調控。研究發現，在持續性腎損傷中基質細胞源性因子(SDF-1)的表達上調，SDF-1/CXCR4軸在MSCs“歸巢”過程中起關鍵作用[23-24]；另一個重要因素是MSCs表達的CD44，后者和透明質酸(HA)相互作用，亦可調節MSCs的“歸巢”；研究發現CD44敲除的BM-MSC沒有向損傷腎組織“歸巢”的能力[25]；這表明CD44/HA通路在MSCs的“歸巢”中起作用。向順鉑誘導的腎損傷小鼠中注入體外IGF-1預處理過的BM-MSC后發現，MSCs的運動和“歸巢”活力增加；且MSCs與IGF-1共培養時，CXCR4在細胞的表達增加，這也是BM-MSC“歸巢”活力增強，對氧化損傷敏感性降低的主要原因之一[23]。

研究發現組織損傷微環境自身可以促進MSCs的“歸巢”，EPO干預后效果更佳；其機制可能與SDF-1水平增加及SDF-1/CXCR4軸下游的信號蛋白MAPK的磷酸化有關[26]。最近，白志明等利用小動物活體光學成像技術(IVIS)在右側輸尿管梗阻小鼠模型中追蹤到熒光標記的MSCs向損傷腎組織“歸巢”現象；為目前國內外研究MSCs“歸巢”提供了最直接證據，并發現“歸巢”后的MSCs能修復腎纖維化[27]。

6.2 MSCs移植方式MSCs移植方式也會影響“歸巢”。李金東[28]在可復性小鼠UUO模型研究中發現：MSCs早期“歸巢”率及有效率由高到低依次為包膜下組、腎動脈組、尾靜脈組；且靜脈移植組中，左側受損腎臟的“歸巢”率明顯大于右側；然而程慶[29]在小鼠MSCs包膜下移植對梗阻性腎病影響的研究中發現包膜下注射短期內可造成明顯的炎性反應加重；隨后，李東輝等[30]在BMSCs移植修復小鼠輸尿管損傷的方法學研究中進一步表明經腎動脈移植的MSCs對治療輸尿管梗阻性疾病也是一種高效的移植方式；這些數據對后續在體外大動物(如豬、猴)實驗中研究MSCs治療梗阻性腎病時移植方式的選擇提供了參考，見表2。

表2 MSCs發揮腎臟保護作用及影響“歸巢”的細胞因子[12,16-17,31-34]

7 臨床研究

MSCs治療慢性腎臟病的潛能已被廣泛研究。然而，MSCs及其衍生的細胞因子發揮腎臟保護作用的具體調控機制還未完全闡明；此外，雖然MSCs有靶向“歸巢”到損傷腎組織的潛能，但MSCs的長期有效“歸巢”很少發生，趨化因子預處理后干細胞的安全性研究甚少；這些都將限制其在臨床上的應用。

人類臨床實驗中，MSCs首先用于抑制腎移植后的免疫治療；研究發現MSCs并不比相同劑量的免疫抑制劑有效，但MSCs聯合低劑量的免疫抑制劑能更快的改善腎小球濾過率，且MSCs能控制移植后的炎癥和纖維化[35]；因此，MSCs治療可減少免疫抑制劑的劑量及藥物的副作用[36]。

臨床上，有潛在慢性腎疾病、高齡、糖尿病及充血性心衰的患者術后急性腎功能衰竭的風險增高。一項針對開胸術后患者的臨床實驗表明：由于以上潛在因素，給這些患者多次注射同種異體MSCs，且劑量不斷增加；與非注射組比較，實驗組患者在16個月內腎功能保存完好，所有患者均不需血液透析，住院時間和再入院率減少了40%，且沒有發現任何與這種新療法有關的副作用；然而對照組有20%發展成急性腎衰竭[37]。該研究并未涉及MSCs的狀態，但有研究表明：新鮮或冷凍的MSCs對腎臟病的療效無明顯差異[38]。

盡管大量實驗數據表明在各種急慢性腎損傷中，MSCs的修復效益高于靶向藥物治療，但是目前的臨床前研究有限，且大多以小動物為主，來自大動物(如豬、猴)的研究甚少。海口市泌尿外科研究所白志明課題組正在進行的五指山豬BM-MSC與梗阻性腎病的研究可能為下一步臨床應用提供可靠的依據。

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