干細(xì)胞生物學(xué)的進(jìn)步見證了一個(gè)令人興奮的新研究領(lǐng)域的興起,即再生醫(yī)學(xué)。再生醫(yī)學(xué)是轉(zhuǎn)化研究的多學(xué)科分支,旨在修復(fù)受損組織以恢復(fù)正常的細(xì)胞功能。
迄今為止,臨床試驗(yàn)中最常研究的細(xì)胞群包括間充質(zhì)干細(xì)胞/基質(zhì)細(xì)胞 (MSC)。
間充質(zhì)干細(xì)胞的治療潛力基于它們易于分離、分化成多種細(xì)胞類型的能力、低免疫原性,以及最重要的是它們釋放的生物因子可減輕受損組織。
間充質(zhì)干細(xì)胞是起源于中胚層的多能細(xì)胞,其特征是:
- a) 粘附塑料并自我更新,
- b) 表達(dá)特異性表面抗原標(biāo)記(CD73、CD90、CD105),
- c) 至少具有分化成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞或軟骨細(xì)胞。
間充質(zhì)干細(xì)胞在體內(nèi)廣泛分布,因此可以從多種來源分離,包括骨髓、心臟、體液、皮膚和圍產(chǎn)期組織。間充質(zhì)干細(xì)胞通過釋放已知可再生受損細(xì)胞和組織的免疫調(diào)節(jié)和營養(yǎng)因子來對微環(huán)境變化(pH值、氧氣、壓力)做出反應(yīng)。神經(jīng)退行性和心血管疾病的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了基于細(xì)胞的研究的快速發(fā)展。迄今為止,中國有365項(xiàng)臨床試驗(yàn)正在測試間充質(zhì)干細(xì)胞作為一系列醫(yī)學(xué)病癥的治療劑的效用。
間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病的潛力
這篇綜述將總結(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞在治療糖尿病組織修復(fù)中的作用,提供改善間充質(zhì)干細(xì)胞功能的新興策略,并描述這些過程如何轉(zhuǎn)化為糖尿病的臨床治療。
間充質(zhì)干細(xì)胞的來源
2012年,山中伸彌因發(fā)現(xiàn)成熟細(xì)胞可以重編程為多能細(xì)胞而成為諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲得者之一。這種非凡的技術(shù)是一種優(yōu)秀且易于獲得的自體干細(xì)胞來源,可克服細(xì)胞/組織排斥問題。骨髓和脂肪組織是間充質(zhì)干細(xì)胞的另一個(gè)來源,但它們的缺點(diǎn)是需要侵入性儀器來收集組織。
一種以非侵入性、道德上合理的方式回收間充質(zhì)干細(xì)胞的新興方法,傳統(tǒng)上被認(rèn)為是醫(yī)療廢物,包括胎盤和/或臍帶。此外,與其他MSC組織來源相比,來自這些新生組織的細(xì)胞被假定具有更高的增殖和分化能力,以及更高的表達(dá)旁分泌因子的能力。
從人臍帶中分離出間充質(zhì)干細(xì)胞
研究表明,可以從臍帶血和沃頓氏膠(臍帶基質(zhì))中分離、擴(kuò)增和冷凍保存MSC。然而,從沃頓氏果凍 (WJ) 中分離MSC的優(yōu)勢包括:更高的產(chǎn)量、更同質(zhì)的干細(xì)胞群、成功分離MSC的可能性增加以及更好的分化為胰島素生成細(xì)胞的能力。已經(jīng)描述了幾種用于分離WJ-MSC的技術(shù),但是兩種最常見的方法包括臍帶組織的酶消化或外植體培養(yǎng)方法(圖1)。
間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病的三大作用機(jī)制
間充質(zhì)干細(xì)胞刺激組織修復(fù)
眾所周知,MSCs的有益結(jié)果是通過生物因子的旁分泌釋放而不是將細(xì)胞植入受體組織中產(chǎn)生的。出于本次審查的目的,檢查MSCs再生特性的研究將歸納為以下主要主題:血管發(fā)育、抗炎和抗纖維化(圖3)。
VEGF-血管內(nèi)皮生長因子;ANG-血管生成素;EPO-促紅細(xì)胞生成素;HIF-缺氧誘導(dǎo)因子,TNF-腫瘤壞死因子,F(xiàn)AK-粘著斑激酶
血管發(fā)育:血管生成,即新血管的形成,是組織傷口愈合的重要過程,許多藥物都將其作為治療心肌缺血、缺血性中風(fēng)和糖尿病性視網(wǎng)膜病變等疾病的目標(biāo)。
心臟和腦缺血的臨床前研究支持MSCs通過修復(fù)和刺激血管生長改善結(jié)構(gòu)和功能結(jié)果的概念。MSCs的血管生成特性是通過釋放缺氧誘導(dǎo)因子、血管內(nèi)皮生長因子、血管生成素和促紅細(xì)胞生成素來介導(dǎo)的。糖尿病周圍血管疾病、皮膚傷口修復(fù)和骨壞死的研究支持了MSCs給藥后修復(fù)血管損傷的能力。
免疫調(diào)節(jié):盡管炎癥是身體對有害刺激的自然反應(yīng),但過度或長時(shí)間的炎癥應(yīng)激可能對細(xì)胞和組織有害。例如,慢性炎癥現(xiàn)已成為代謝綜合征發(fā)病的重要因素。因此,研究人員已開始探索炎癥與MSC治療之間的相互作用。特別是,MSC調(diào)節(jié)關(guān)鍵的炎癥細(xì)胞類型,包括T細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、B細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞。MSC與這些先天性和適應(yīng)性免疫細(xì)胞的相互作用導(dǎo)致炎癥標(biāo)志物下調(diào)以及保護(hù)性細(xì)胞因子。
抗纖維化:多個(gè)小組已經(jīng)記錄了MSC的抗纖維化作用。在對 Sprague Dawley大鼠的輻射誘導(dǎo)肺纖維化的研究中,Dong等人表明在全身MSC滴注后促纖維化轉(zhuǎn)化生長因子-β和腫瘤壞死因子-α減少。
總而言之,越來越多的文獻(xiàn)證明了間充質(zhì)干細(xì)胞可能在內(nèi)分泌失調(diào)中提供的潛在益處。
增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞存活和功能的策略
為了對受損細(xì)胞提供再生作用,移植的間充質(zhì)干細(xì)胞必須首先在處理組織的惡劣環(huán)境中存活下來。在這個(gè)利基市場中,間充質(zhì)干細(xì)胞必須克服各種壓力因素,包括缺氧、炎癥、高酸度和能量儲備減少。延長間充質(zhì)干細(xì)胞存活時(shí)間足以提供豐富的恢復(fù)因子來源的策略包括:
- i) 預(yù)處理細(xì)胞(缺氧、機(jī)械刺激),
- ii) 對MSCs進(jìn)行基因改造(病毒轉(zhuǎn)染以啟動(dòng)子為目標(biāo)的小發(fā)夾RNA以過度表達(dá)/沉默特定蛋白質(zhì)),
- iii)用生物材料(支架、水凝膠)輸送MSC。這篇簡明的評論將展示兩個(gè)戰(zhàn)略性的例子。
缺氧預(yù)處理
心肌梗死的臨床前研究表明,心內(nèi)注射缺氧處理的干細(xì)胞可維持周圍心肌細(xì)胞的活力,保留心臟功能,并且細(xì)胞向受傷心臟的植入率更高。
血管內(nèi)皮生長因子(遺傳)過度表達(dá)
在大鼠心肌梗死模型中,通過轉(zhuǎn)染病毒載體過度表達(dá)血管內(nèi)皮生長因子 (VEGF),保護(hù)MSC免受細(xì)胞死亡、刺激血管生長、改善心臟功能并縮小梗塞面積。
間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病的臨床試驗(yàn)
間充質(zhì)干細(xì)胞的多功能特性已經(jīng)引起了他們作為糖尿病療法的臨床興趣。迄今為止,已有40多項(xiàng)臨床試驗(yàn)注冊使用間充質(zhì)干細(xì)胞作為糖尿病治療劑。這些研究的范圍從糖尿病相關(guān)的血管并發(fā)癥到傷口愈合,甚至包括用于治療新發(fā)診斷的間充質(zhì)干細(xì)胞療法。
截至2022年11月25日,60項(xiàng)間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病研究已在clinicaltrials.gov上注冊。在這里,我們將總結(jié)臨床調(diào)查的結(jié)果,這些調(diào)查涉及使用間充質(zhì)干細(xì)胞的療法治療新發(fā)糖尿病和慢性糖尿病。
干細(xì)胞治療糖尿病相關(guān)案例
2015年,來自瑞典的研究人員 (NCT01068951) 報(bào)告了第一項(xiàng)旨在評估自體MSC治療新診斷1型糖尿病患者的安全性和有效性的研究。從患者的髂嵴骨髓中采集干細(xì)胞,中位全身單次劑量為2.75 ×106個(gè)細(xì)胞/kg。他們得出結(jié)論,10名患者中的任何一名患者使用MSCs均未導(dǎo)致不良事件,并且在一年的隨訪中提供了有希望的C肽濃度。該I期試驗(yàn)未顯示對照組和MSC組在血紅蛋白A1c (HbA1c) 或胰島素劑量方面存在任何功能差異。
在中國對患有長期2型糖尿病的患者進(jìn)行胎盤來源的MSCs的初步研究表明,移植是安全、容易且可能有效的。該調(diào)查包括10名病程≥3年、胰島素依賴(≥0.7U/kg/天)至少一年且血糖控制不佳的2型糖尿病患者。受試者平均收到1.35×106/kg胎盤干細(xì)胞在三個(gè)不同的場合,靜脈輸注之間間隔一個(gè)月。治療六個(gè)月后,所有患者的胰島素用量和HbA1c測量均顯示出改善趨勢。此外,間充質(zhì)干細(xì)胞治療后C肽和胰島素釋放也更高。
此外,這項(xiàng)研究包括一組更接近實(shí)際臨床情況的個(gè)體,因?yàn)樗麄冞€患有其他合并癥,包括心臟病、腎臟疾病和血管并發(fā)癥。
最近,研究人員已經(jīng)開發(fā)出分泌胰島素的間充質(zhì)干細(xì)胞,并將它們與造血干細(xì)胞一起輸送給I型糖尿病患者。與同種異體移植相比,通過胰腺內(nèi)途徑進(jìn)行的自體移植往往在15-24個(gè)月時(shí)具有改善的C肽和餐后血糖。兩項(xiàng)研究都將干細(xì)胞管理視為具有潛在益處的安全程序;然而,需要進(jìn)行更大規(guī)模的研究來證實(shí)他們的發(fā)現(xiàn)。
表格1總結(jié)了一系列利用間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病的臨床試驗(yàn)。
作者、年份、MSC 樣本量、國家/地區(qū) | 客觀的 | 納入標(biāo)準(zhǔn) | MSC來源 | MSC劑量和遞送 | 結(jié)果 |
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蔡等人。(2016) n ?= 21中國1年研究 | 研究聯(lián)合UC-MS 和自體骨髓單核細(xì)胞移植(無需免疫治療)對確診T1D患者的代謝控制和安全性的潛在益處 | – 18–40歲 – 男女 – T1D病史≥2年且≤16年 – HbA1c≥7.5%且≤10.5% – 空腹血清C肽 <0.1pmol/mL – 每日胰島素需要量<100IU | 來自單月新生兒的臍帶沃頓氏膠來源的MSC +來自髂嵴的自體骨髓單核細(xì)胞 | UC-MSC (1 × 106 /kg) BM-MNC (107 × 106 /kg) 胰內(nèi) | MSC隊(duì)列中 1名患者沒有出現(xiàn)短暫腹痛的嚴(yán)重不良事件; 穿刺部位出血1例 MSC組自報(bào)低血糖事件較少M(fèi)SC組 C肽AUC提高 106%,對照組降低 8% MSC組血清胰島素 AUC提高49%,對照組降低6% HbA1c、FBG、胰島素劑量水平在 3、6、9 和12個(gè)月時(shí)下降,而對照組則保持穩(wěn)定 |
胡等人。(2016) n ?= 31中國3年研究 | 探索T2DM患者輸注WJ-MSCs的長期安全性和有效性,隨訪期36個(gè)月 | – 18-60歲患有T2DM – 男女 – 根據(jù)ADA進(jìn)行糖尿病診斷 | 來自單月新生兒的臍帶沃頓氏膠源性MSC – | 兩次靜脈輸注間隔1個(gè)月,每次輸注劑量:1×106/kg | 未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重不良反應(yīng),包括:發(fā)熱、寒戰(zhàn)、肝毒性、過敏、感染、出血、蛋白尿、心肌梗塞或血栓栓塞事件 沒有患者出現(xiàn)嚴(yán)重低血糖 MSC組觀察到C肽和胰島素劑量的改善 輕度HbA1c和空腹血糖的益處 |
斯凱勒等人。(2015) n ?= 45 美國 12 周研究 | 評估成人同種異體骨髓源性間充質(zhì)前體細(xì)胞在單獨(dú)使用二甲雙胍或與另一種口服抗糖尿病藥物聯(lián)合治療未充分控制的T2D中的安全性、耐受性和可行性 | – 患有T2D的年齡 <80歲 – HbA1≥7.0% 至 <10.5% –單獨(dú)使用二甲雙胍或與另一種口服抗糖尿病藥物(噻唑烷二酮除外)聯(lián)合使用至少3個(gè)月 – 接受手術(shù)絕育或有生育能力的女性在整個(gè)研究期間同意使用避孕措施的人符合資格 | 骨髓來源的間充質(zhì)前體細(xì)胞 | 0.3×106 /kg ( n=15) 1×106/kg ( n=15) 2×106/kg ( n =15) 靜脈注射 | MSC組和安慰劑組之間治療中出現(xiàn)的不良事件相當(dāng) MSC組中有1名受試者出現(xiàn)嚴(yán)重腹痛 12周研究期間沒有嚴(yán)重不良事件 MSC組沒有中斷或嚴(yán)重低血糖事件 實(shí)驗(yàn)組對MSC沒有免疫反應(yīng) |
( Carlsson et al. 2015) n=9瑞典 1 年研究 | 評估自體間充質(zhì)干細(xì)胞治療近期診斷為1型糖尿病的患者的安全性和有效性 | –18-40歲患有T1D – 在入組前3周內(nèi)診斷且刺激C肽水平 >0.1nmol/L | 髂嵴自體骨髓單核細(xì)胞 | 中位數(shù)2.75×106cells/kg靜脈注射 | MSC組耐受移植,無副作用 任何研究中均未診斷出腫瘤或慢性感染MSC組中 所有研究患者均未出現(xiàn)任何高血糖酮癥酸中毒 C肽值A(chǔ)UC值(膳食耐受測試后)保留/增加 |
( Dave et al. 2015) n=10印度3年研究 | 描述體外MSC分化的胰島素分泌細(xì)胞與造血干細(xì)胞共輸注治療IDDM的經(jīng)驗(yàn) | –8–45歲患有IDDM –任何性別 –診斷至少6個(gè)月,血清C肽水平較低 (<0.5ng/mL) | 自體脂肪組織MSC分化為胰島素分泌細(xì)胞+自體骨髓來源的HSC | 自體:2.7×104/kg胰島素分泌MSC 同種異體:脂肪MSC-2.1×104/kg胰島素分泌 MSC 注入門靜脈循環(huán)、胸腺和皮下組織 | 干細(xì)胞輸注沒有出現(xiàn)不良影響 所有患者的C肽、Hb1Ac、血糖狀況和外源性胰島素需求均得到改善 患者恢復(fù)正常生活方式和不受限制的飲食 |
(Thakkar等人, 2015)n=20(10個(gè)自體;10個(gè)同種異體)印度2年研究 | 評估自體干細(xì)胞移植與異體干細(xì)胞移植的安全性和有效性 | –8–45歲患有T1DM – 診斷>12個(gè)月前 – 存在谷氨酸脫羧酶 (GAD) 抗體 – 血清C肽低 | 自體組:腹部脂肪 MSC和骨髓HSC 同種異體組:非糖尿病腹部脂肪MSC 和骨髓 HSC | 自體:2.7×104/kg胰島素分泌MSC 同種異體:脂肪MSCs-2.1×104/kg胰島素分泌 MSC注入門脈循環(huán)、胸腺和腹部皮下組織 | 無不良影響、發(fā)病率或死亡率 平均胰島素需求量、血清C肽、平均HbA1c持續(xù)改善 |
( Hu et al. 2013 ) n=15中國2年研究 | 評估WJ-MSC對新發(fā)T1DM的長期效果 | – 根據(jù)ADA≤25歲的男女T1DM患者 ≤6個(gè)月且空腹C肽≥0.3ng/mL | 新生兒臍帶沃頓氏膠源性間充質(zhì)干細(xì)胞 | 2.6×107個(gè)細(xì)胞 靜脈注射 | 未出現(xiàn)明顯不良反應(yīng) 對照組與實(shí)驗(yàn)組空腹血糖無差異 9個(gè)月后MSC組HbA1c、胰島素用量、C肽均有改善 |
瓦尼卡等人。(2010) n=11印度1年研究 | 通過聯(lián)合移植分泌胰島素的脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞和骨髓造血干細(xì)胞進(jìn)行胰島素替代治療的現(xiàn)狀 | – 5–45 歲患有 IDDM 至少 6 個(gè)月 – 任何性別 – 血清 C 肽水平低 (<0.5 ng/mL) | 分別來自脂肪組織和骨髓的 MSC 和 HSC | 平均移植細(xì)胞總量為96 mL,培養(yǎng)骨髓有核細(xì)胞計(jì)數(shù):平均值為28×10 3/μL,MSC-1.2×103/μL | 沒有與干細(xì)胞輸注或誘導(dǎo)治療相關(guān)的不良/不良副作用 任何患者均未出現(xiàn) DKA |
劉等人。(2014) n=22中國1年研究 | 探討WJ-MSC移植治療T2DM患者的療效和安全性,并在治療后隨訪12個(gè)月 | – 根據(jù)ADA標(biāo)準(zhǔn),18-70歲患有T2DM – 任何性別,未懷孕或哺乳 – 最近接受抗糖尿病治療,包括藥物和/或注射胰島素至少3 個(gè)月,血糖控制不佳 – 谷氨酸脫羧酶抗體呈陰性 –空腹血糖水平≥7.0 mmol/L且HbA1c ≥7% – 有機(jī)充足:心、肝、腎和肺 | 來自足月新生兒的臍帶沃頓氏膠衍生的 MSC | 第一次移植:靜脈內(nèi) 第二次移植:胰腺 內(nèi) 每次輸注劑量:1×106cells/kg | 3 名患者術(shù)后出現(xiàn)發(fā)熱 1 名患者出現(xiàn)皮下血腫 1 名患者出現(xiàn)惡心、嘔吐和頭痛 HbA1c、胰島素劑量和空腹C肽輕度改善 6個(gè)月時(shí)全身炎癥標(biāo)志物減少 |
( Jiang et al. 2011 ) n=10中國 | 評估胎盤來源的 MSC在T2DM中的安全性和臨床可行性 | –30-85歲患有 T2DM – 糖尿病病程≥3年 – 需要胰島素以 ≥0.7U/kg/天的劑量至少持續(xù)1年以實(shí)現(xiàn)最佳血糖控制 | 胎盤來源的間充質(zhì)干細(xì)胞 | 平均總量1.35×106/kg 靜脈輸注3次,間隔1個(gè)月 | 細(xì)胞移植后未觀察到全身癥狀 治療后 6個(gè)月時(shí)平均胰島素劑量、C肽和HbA1c有所改善 |
哪些糖尿病患者將從間充質(zhì)干細(xì)胞治療中受益
鑒于此前薈萃分析結(jié)果,I型和II型糖尿病患者可以從間充質(zhì)干細(xì)胞治療中獲益。此外,作者還討論了處于糖尿病早期階段的患者可能是干細(xì)胞治療的最佳人選。盡管本綜述納入了22項(xiàng)研究,但只有6項(xiàng)研究(共112名患者)使用了間充質(zhì)干細(xì)胞,其中只有2項(xiàng)研究側(cè)重于早發(fā)性診斷(共49名患者)。
盡管如此,這四項(xiàng)針對慢性I/II型糖尿病患者(平均病程8年)的研究在糖尿病測量方面有所改善,這有力地證明了進(jìn)一步研究以明確描述可能受益于間充質(zhì)干細(xì)胞治療糖尿病人群是合理的。
臨床應(yīng)用前對間充質(zhì)干細(xì)胞的產(chǎn)品的監(jiān)管
迄今為止,尚無用于分離、表征、擴(kuò)增、效力測試或MSC病原體篩選的標(biāo)準(zhǔn)化方法。美國食品和藥物管理局 (FDA) 對基于細(xì)胞的產(chǎn)品的監(jiān)管側(cè)重于三個(gè)主要主題:
- i) 預(yù)防通過受污染的組織傳播傳染病,
- ii) 正確處理和加工組織,以及
- iii) 臨床安全性和證明細(xì)胞的有效性,尤其是在大量操作之后。FDA還要求組織加工設(shè)施注冊、列出其產(chǎn)品并提供準(zhǔn)確的產(chǎn)品標(biāo)簽。
間充質(zhì)干細(xì)胞同種異體移植給藥的優(yōu)點(diǎn)
間充質(zhì)干細(xì)胞同種異體給藥的優(yōu)點(diǎn)包括:
- (i) 廣泛的可用性,
- (ii) 低成本,
- (iii) 和質(zhì)量控制。
未來目標(biāo)
在臨床醫(yī)學(xué)廣泛使用間充質(zhì)干細(xì)胞(或其衍生物)之前,許多未解決的問題仍然存在:
- 我們?nèi)绾未_保按照標(biāo)準(zhǔn)措施始終如一地生產(chǎn)和控制間充質(zhì)干細(xì)胞?
- 獲得臨床療效的最佳來源、途徑、劑量和給藥次數(shù)是多少?
- 基于細(xì)胞的療法(干細(xì)胞、條件培養(yǎng)基、外泌體等)的長期后果是什么?
- 哪些策略和組織來源產(chǎn)生最好的結(jié)果?
- 我們?nèi)绾蝺?yōu)化對臨床應(yīng)用具有成本效益的可擴(kuò)展間充質(zhì)干細(xì)胞系列?
- 是否應(yīng)調(diào)節(jié)/改變間充質(zhì)干細(xì)胞/基于細(xì)胞的產(chǎn)品以誘導(dǎo)胰島素分泌潛力?
結(jié)論
鑒于間充質(zhì)干細(xì)胞具有減輕纖維化、調(diào)節(jié)炎癥和促進(jìn)血管生長的能力,間充質(zhì)干細(xì)胞為內(nèi)分泌失調(diào)患者提供了一種有前途的治療策略。來自各種組織和器官的MSC的無限可用性及其有益特性加強(qiáng)了這些細(xì)胞類型在再生研究中的廣泛使用。
盡管我們對介導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞功能的因素的理解有所提高,但仍有許多問題尚不清楚。例如,更新的證據(jù)表明預(yù)處理/基因改變MSCs可能會影響它們的功能,從而轉(zhuǎn)化為改善的臨床效果。盡管仍然缺乏檢驗(yàn)MSC人類應(yīng)用的大型研究,但以內(nèi)分泌為重點(diǎn)的初步研究表明了范式轉(zhuǎn)變的潛力。
參考資料:Moreira A, Kahlenberg S, Hornsby P. Therapeutic potential of mesenchymal stem cells for diabetes. J Mol Endocrinol. 2017 Oct;59(3):R109-R120. doi: 10.1530/JME-17-0117. Epub 2017 Jul 24. PMID: 28739632; PMCID: PMC5570611.
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