如今，干細(xì)胞技術(shù)已被應(yīng)用于動物醫(yī)學(xué)中諸多疾病的治療。這不僅得益于干細(xì)胞具有很高的治療潛力，而且與其可以采用直接分離或預(yù)先培養(yǎng)的自體或同種異體細(xì)胞進(jìn)行臨床應(yīng)用息息相關(guān)。研究表明，該過程是安全的，并給動物健康帶來了巨大收益。
本文將重點(diǎn)介紹間充質(zhì)干細(xì)胞及其修復(fù)機(jī)制，以及目前研究和應(yīng)用最多的疾病類型及臨床方案。臨床上應(yīng)用的干細(xì)胞方案、分子機(jī)制和生理反應(yīng)之間的關(guān)系，可為新的研究提供幫助，從而改善動物乃至人類疾病的治療效果。
什么是間充質(zhì)干細(xì)胞?我們?yōu)槭裁匆褂盟?/b>
- 增殖、分化和組織再生的潛力
從概念上講，間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）是具有自我更新能力的細(xì)胞，并具有向其他細(xì)胞類型分化的潛力。這些細(xì)胞會受到來自細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程(自分泌、旁分泌、內(nèi)分泌或細(xì)胞內(nèi))的干細(xì)胞巢(成體干細(xì)胞接收信息的必要環(huán)境)的影響，從而激活其細(xì)胞增殖和分化的機(jī)制。這些信息來自于干細(xì)胞之間的相互作用、干細(xì)胞與鄰近的已分化細(xì)胞之間的相互作用，以及干細(xì)胞與粘附分子、細(xì)胞外基質(zhì)成分、氧張力、生長因子、細(xì)胞因子以及環(huán)境的物理化學(xué)性質(zhì)之間的相互作用。干細(xì)胞巢發(fā)出的信號可以使MSC根據(jù)需要采取不同的“行為”。
圖1 MSC對干細(xì)胞巢的影響：MSC根據(jù)信號傳導(dǎo)因子，可能會做出不同的決定，其中主要涉及增殖和細(xì)胞分化。MSC捕獲并發(fā)送分子信號，通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)或提供組織修復(fù)效應(yīng)物，包括激活細(xì)胞歸巢、細(xì)胞凋亡、誘導(dǎo)新血管形成和愈合過程，來改變干細(xì)胞微環(huán)境。
成體干細(xì)胞，主要是MSC，存在于所有組織和器官中，其主要功能是在生理細(xì)胞更新過程中替代死亡細(xì)胞。此外，它們也可以在病理情況下替換死細(xì)胞，如缺血、炎癥或創(chuàng)傷。干細(xì)胞是受損組織修復(fù)的來源，因?yàn)樗鼈冊趽p傷信號或病理狀態(tài)下做出相應(yīng)應(yīng)答。這種模式的感知與特定細(xì)胞信號軸的激活及其反應(yīng)(遷移、增殖和分化)有關(guān)，這一過程被稱為細(xì)胞歸巢，是細(xì)胞治療有效性的基本機(jī)制。
一旦損傷發(fā)生，細(xì)胞歸巢被激活，以促進(jìn)組織修復(fù)。受傷的組織(炎癥)一旦進(jìn)入缺血狀態(tài)，通過營養(yǎng)素缺乏，生成低氧環(huán)境，激活缺氧誘導(dǎo)因子-1 (HIF-1)，從而導(dǎo)致細(xì)胞因子的釋放，如基質(zhì)衍生因子-1 (SDF-1)以及血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)。這些細(xì)胞因子被相應(yīng)部位的細(xì)胞識別，并在血管中幫助它們穿過組織層(遷移)，以模擬細(xì)胞外基質(zhì)和激活必要的細(xì)胞分化。同時，病灶激活免疫反應(yīng)并隨之釋放影響細(xì)胞歸巢的活性氧。在MSC來源中，雖然新的潛在組織(包括合成)正在被探索，骨髓和脂肪組織仍是最廣泛用于治療的，脂肪組織中更為豐富。
- 了解旁分泌效應(yīng)
MSC能夠分泌影響組織修復(fù)的細(xì)胞因子。其功能是通過影響受體和細(xì)胞內(nèi)通路的激活(或失活)來滿足鄰近細(xì)胞的需要，而不損害機(jī)體的其他細(xì)胞。因此，這些分子中的許多被認(rèn)為是旁分泌因子。缺氧條件下，一旦歸巢激活，MSC可以釋放SDF-1、VEGF、纖維母細(xì)胞生長因子(FGF) -2、-7和肝細(xì)胞生長因子(HGF)、血管生成素1、轉(zhuǎn)化生長因子-b (TGF-b)、基質(zhì)金屬蛋白酶-9(MMP-9)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素-1(IL-1)和白細(xì)胞介素-6 (IL- 6)以及其他因子。
在通過損傷激活SDF-1后，無論是否進(jìn)行細(xì)胞治療，成體干細(xì)胞(骨髓或受損組織部位細(xì)胞)都會增殖，信號越強(qiáng)，細(xì)胞反應(yīng)越強(qiáng)烈。要做到這一點(diǎn)，細(xì)胞必須能夠表達(dá)信號的表面受體，一旦識別出修復(fù)的“指令”，趨化性的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路就被激活。因此,當(dāng)SDF-1綁定到特定的膜受體CXCR4，同時MAPK、Akt、PKC、PI3K和NFkB信號通道被激活。這些信號分子引起細(xì)胞增殖、細(xì)胞骨架重組并激活其他細(xì)胞因子，特別是白細(xì)胞介素。
激活血管生成過程對于新生血管的形成，改善損傷組織的營養(yǎng)，進(jìn)而促進(jìn)缺血區(qū)域的恢復(fù)是至關(guān)重要的。無論是缺氧還是炎癥發(fā)生后，VEGF和血管生成素(負(fù)責(zé)血管成熟) 的表達(dá)均可誘導(dǎo)并激活內(nèi)皮祖細(xì)胞，從而形成新的血管。一項(xiàng)對豬誘導(dǎo)型直腸炎的研究表明，反復(fù)注射MSC除了能夠調(diào)節(jié)血管生成素和FGF-2表達(dá)外，還能夠調(diào)節(jié)VEGF及其受體的表達(dá)。此外，以誘導(dǎo)血管生成為目的的細(xì)胞治療方案針對肌肉組織損傷、肢體缺血，特別是心血管疾病得到了很好的研究。
- 免疫調(diào)節(jié)潛能
研究表明，MSC的免疫調(diào)節(jié)功能與機(jī)體的整個生命周期內(nèi)的修復(fù)能力有關(guān)。這一特性導(dǎo)致受體免疫系統(tǒng)的耐受性，從而允許使用遺傳上不同的供體細(xì)胞（同種異體），這在細(xì)胞移植方案中極受歡迎。MSC的免疫調(diào)節(jié)能力似乎與其與T-CD4、T-CD8細(xì)胞和它們的炎性介質(zhì)間的相互作用有關(guān)。這類干細(xì)胞通過下調(diào)分泌介質(zhì)并激活抗炎細(xì)胞因子來阻斷炎癥信號。事實(shí)上，T細(xì)胞直接參與移植物抗宿主病，通過IFN- 可以激活TGF-b，但不會影響IL– 10；MSC可增強(qiáng)抑制并限制Th1的應(yīng)答。此外，MSC能夠阻止樹突狀細(xì)胞向淋巴細(xì)胞抗原表達(dá)，以及抗原向淋巴結(jié)(激活位置)的遷移。使用MSC后機(jī)體中CCR7 、CD49d 1顯著下調(diào)，這兩種因子參與淋巴器官的樹突細(xì)胞歸巢。
細(xì)胞治療在動物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
自2000年代初以來，在動物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，細(xì)胞療法已成為臨床現(xiàn)實(shí)，最初的應(yīng)用目的是治療馬肌腱損傷，目前世界上已經(jīng)有成千上萬的動物接受了治療，從而能夠評估這種治療方法的有效性，尤其對于治療馬和其他動物的肌腱、韌帶損傷和關(guān)節(jié)疾病等效果顯著。當(dāng)前，關(guān)于應(yīng)用MSC的治療方案的研究數(shù)量在不斷增加，而且狗、貓和馬的細(xì)胞治療取決于動物醫(yī)師與實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)系，后者可以分離、培養(yǎng)和制備要使用的細(xì)胞。在這方面，獸醫(yī)和實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員要共同決定什么是最佳的治療形式。
圖2 細(xì)胞療法在動物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。由于遺傳因素、退行性過程和不適當(dāng)?shù)娘嬍?，伴侶動物(寵物)以及競技動物，會受到多種傷害，可能影響肌肉組織、疼痛、關(guān)節(jié)和脊椎盤軟骨磨損、肌腱炎、骨折和骨退化。臨床應(yīng)用和治療方案是基于成體干細(xì)胞的使用，從新鮮骨髓或脂肪組織中分離；或在實(shí)驗(yàn)室中從這些組織中擴(kuò)增，提取的MSC具有很高的治療能力。
- 競賽動物
盡管有大量涉及動物的運(yùn)動，如狩獵、格斗和斗牛，但細(xì)胞療法在賽馬運(yùn)動中應(yīng)用得更廣泛。這是因?yàn)檫@種模式是最容易導(dǎo)致馬肌腱、關(guān)節(jié)、軟骨和骨頭受傷的方式之一。在動物醫(yī)學(xué)中，跳躍也是一種導(dǎo)致這類傷害的活動。除了動物健康問題、損傷，同時也會產(chǎn)生相當(dāng)多的經(jīng)濟(jì)問題，因?yàn)橘愸R是一種需要耗費(fèi)大量資金進(jìn)行體能訓(xùn)練和競技訓(xùn)練的動物。（歐盟委員會已批準(zhǔn)上市首款干細(xì)胞獸藥，用于減少馬匹由非膿性關(guān)節(jié)感染引發(fā)的輕中度復(fù)發(fā)性跛行。）
其實(shí)，在筋疲力盡的訓(xùn)練后，即使沒有軟骨或骨骼損傷，動物也可能受到肌肉疼痛的影響，這將妨礙其運(yùn)動，并可能加劇炎癥過程?？紤]到肌肉骨骼損傷，在一項(xiàng)研究中有30只動物接受了細(xì)胞治療，其中28只重新返回了賽場，表明細(xì)胞治療產(chǎn)生了明顯的改善。
肌腱是具有結(jié)締組織功能的纖維結(jié)構(gòu)，其膠原纖維相互交織，通過環(huán)形韌帶與骨骼相連。損傷的韌帶和肌腱的恢復(fù)伴隨著大量細(xì)胞的匯集和新纖維組織的形成，但生物力學(xué)性能較低，導(dǎo)致性能衰退，增加了新的損傷的風(fēng)險。馬和狗是臨床上受影響最嚴(yán)重的動物，通過MRI和B超對其進(jìn)行分析，它們的肌腱病變與人類的組織病理學(xué)相似。指屈肌腱的重復(fù)性損傷在賽馬和跳馬中較為常見。
由于膠原蛋白的大量存在，損傷會迅速激活干細(xì)胞歸巢機(jī)制，從而使干細(xì)胞注射修復(fù)肌腱成為可能。此外，越來越多的實(shí)驗(yàn)方案描述了使用干細(xì)胞和整合基因刺激肌腱再生過程后改善的結(jié)果。評估的主要生長因子包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMF)、血小板源性生長因子(PDGF)、成纖維細(xì)胞生長因子（FGF）、血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和胰島素樣生長因子1 (IGF-1)。研究人員觀察到MSC釋放的外泌體(參與細(xì)胞間通訊的胞外囊泡)可能分泌抗炎因子，這對肌腱修復(fù)非常有效。
此外，競賽活動也會導(dǎo)致軟骨損傷，尤其是關(guān)節(jié)處，這些損傷也與動物醫(yī)學(xué)有關(guān)。事實(shí)上，這些組織的再生能力低于其他組織。這些軟骨受到的創(chuàng)傷會引發(fā)韌帶炎以及骨關(guān)節(jié)炎。即使這些損傷引起干細(xì)胞歸巢，其生理機(jī)制仍是弱激活的。研究表明，MSC具有向成骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞分化的巨大潛力，無論是否存在軟骨生成誘導(dǎo)，均能夠逆轉(zhuǎn)損傷，改善受損關(guān)節(jié)的功能性和可持續(xù)性。而涉及軟組織、軟骨和骨骼損傷的問題在高強(qiáng)度運(yùn)動的動物中相當(dāng)常見，特別是在馬身上。而且這些組織的退化過程也會發(fā)生在伴侶動物身上，比如狗和貓。
- 伴侶動物
近年來，人們對利用干細(xì)胞治療家畜的各種疾病產(chǎn)生了濃厚的興趣，其中主要是伴侶動物的疾病，干細(xì)胞的治療方法為迄今尚未能治愈的伴侶動物疾病提供了新的治療視角。
研究人員對從不同犬種(博德牧羊犬、德國牧羊犬、拉布拉多、金毛尋回犬和霍夫瓦爾特犬)中分離出的間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行形態(tài)學(xué)和生理學(xué)研究。研究表明，MSC的特性，如增殖能力的基礎(chǔ)分析、衰老、細(xì)胞系的體外分化和表型表征，在所有被測試的種族中都非常相似。因此，在不考慮某些變異的情況下，這些分離培養(yǎng)的MSC，能在體外擴(kuò)增，并顯示出增殖和分化的潛力，從而符合進(jìn)行細(xì)胞治療的條件。從脂肪組織中分離的MSC經(jīng)常被應(yīng)用于犬類疾病的治療。研究人員評估了將同種異體間充質(zhì)干細(xì)胞植入急性脊髓損傷犬中的情況，對成熟神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行核磁共振成像和病理組織學(xué)檢查，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞組神經(jīng)傳導(dǎo)速度、軀體感覺電位和神經(jīng)功能明顯改善。同種異體間充質(zhì)干細(xì)胞也用于治療犬髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良，結(jié)果表明細(xì)胞治療是安全的，并且有顯著改善。
由于遺傳性的或者某些畸形或飲食不適當(dāng)，可能引起的狗和貓出現(xiàn)骨骼問題。主要問題是佝僂病、軟骨病、骨質(zhì)疏松癥、骨纖維化和其他骨骼畸形。考慮到骨修復(fù)和延長(骨生成)，MSC也是一個很好的治療選擇。有趣的是，除了其固有的活性外，這種細(xì)胞類型還可以作為藥理學(xué)藥物的基因載體(體外基因治療)，從而幫助骨形成。
結(jié)論
細(xì)胞療法是一種安全的方法，而且不太昂貴或費(fèi)力，可以應(yīng)用于多種哺乳動物，因?yàn)樗鼈兊男螒B(tài)組織基礎(chǔ)相類似。基于間充質(zhì)干細(xì)胞有促進(jìn)組織修復(fù)、激活旁分泌因子、免疫調(diào)節(jié)和感知細(xì)胞歸巢信號的能力。因此，這些細(xì)胞經(jīng)常被用于伴侶和競賽動物，以治療骨性疾病(如骨關(guān)節(jié)炎)、肌腱和軟骨、肌肉和其他組織問題，這些疾病或由遺傳引起或由體育活動、不適當(dāng)?shù)娘嬍车纫?。干?xì)胞作為治療手段的適用性，促使其也可用于其他動物群體，如農(nóng)場動物等。
本文由博雅秀巖編譯整理：
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參考文獻(xiàn)：Melissa Medeiros Markoski. “Advances in the Use of Stem Cells in Veterinary Medicine: From Basic Research to Clinical Practice”Scientifica. Article ID 4516920, 12 pages，2016.