如今，干細胞技術已被應用于動物醫(yī)學中諸多疾病的治療。這不僅得益于干細胞具有很高的治療潛力，而且與其可以采用直接分離或預先培養(yǎng)的自體或同種異體細胞進行臨床應用息息相關。研究表明，該過程是安全的，并給動物健康帶來了巨大收益。
本文將重點介紹間充質(zhì)干細胞及其修復機制，以及目前研究和應用最多的疾病類型及臨床方案。臨床上應用的干細胞方案、分子機制和生理反應之間的關系，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)干細胞（MSC）是具有自我更新能力的細胞，并具有向其他細胞類型分化的潛力。這些細胞會受到來自細胞信號傳導過程(自分泌、旁分泌、內(nèi)分泌或細胞內(nèi))的干細胞巢(成體干細胞接收信息的必要環(huán)境)的影響，從而激活其細胞增殖和分化的機制。這些信息來自于干細胞之間的相互作用、干細胞與鄰近的已分化細胞之間的相互作用，以及干細胞與粘附分子、細胞外基質(zhì)成分、氧張力、生長因子、細胞因子以及環(huán)境的物理化學性質(zhì)之間的相互作用。干細胞巢發(fā)出的信號可以使MSC根據(jù)需要采取不同的“行為”。
圖1 MSC對干細胞巢的影響：MSC根據(jù)信號傳導因子，可能會做出不同的決定，其中主要涉及增殖和細胞分化。MSC捕獲并發(fā)送分子信號，通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)或提供組織修復效應物，包括激活細胞歸巢、細胞凋亡、誘導新血管形成和愈合過程，來改變干細胞微環(huán)境。
成體干細胞，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胞更新過程中替代死亡細胞。此外，它們也可以在病理情況下替換死細胞，如缺血、炎癥或創(chuàng)傷。干細胞是受損組織修復的來源，因為它們在損傷信號或病理狀態(tài)下做出相應應答。這種模式的感知與特定細胞信號軸的激活及其反應(遷移、增殖和分化)有關，這一過程被稱為細胞歸巢，是細胞治療有效性的基本機制。
一旦損傷發(fā)生，細胞歸巢被激活，以促進組織修復。受傷的組織(炎癥)一旦進入缺血狀態(tài)，通過營養(yǎng)素缺乏，生成低氧環(huán)境，激活缺氧誘導因子-1 (HIF-1)，從而導致細胞因子的釋放，如基質(zhì)衍生因子-1 (SDF-1)以及血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)。這些細胞因子被相應部位的細胞識別，并在血管中幫助它們穿過組織層(遷移)，以模擬細胞外基質(zhì)和激活必要的細胞分化。同時，病灶激活免疫反應并隨之釋放影響細胞歸巢的活性氧。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
MSC能夠分泌影響組織修復的細胞因子。其功能是通過影響受體和細胞內(nèi)通路的激活(或失活)來滿足鄰近細胞的需要，而不損害機體的其他細胞。因此，這些分子中的許多被認為是旁分泌因子。缺氧條件下，一旦歸巢激活，MSC可以釋放SDF-1、VEGF、纖維母細胞生長因子(FGF) -2、-7和肝細胞生長因子(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，無論是否進行細胞治療，成體干細胞(骨髓或受損組織部位細胞)都會增殖，信號越強，細胞反應越強烈。要做到這一點，細胞必須能夠表達信號的表面受體，一旦識別出修復的“指令”，趨化性的轉(zhuǎn)導通路就被激活。因此,當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胞增殖、細胞骨架重組并激活其他細胞因子，特別是白細胞介素。
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)，進而促進缺血區(qū)域的恢復是至關重要的。無論是缺氧還是炎癥發(fā)生后，VEGF和血管生成素(負責血管成熟) 的表達均可誘導并激活內(nèi)皮祖細胞，從而形成新的血管。一項對豬誘導型直腸炎的研究表明，反復注射MSC除了能夠調(diào)節(jié)血管生成素和FGF-2表達外，還能夠調(diào)節(jié)VEGF及其受體的表達。此外，以誘導血管生成為目的的細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)功能與機體的整個生命周期內(nèi)的修復能力有關。這一特性導致受體免疫系統(tǒng)的耐受性，從而允許使用遺傳上不同的供體細胞（同種異體），這在細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細胞和它們的炎性介質(zhì)間的相互作用有關。這類干細胞通過下調(diào)分泌介質(zhì)并激活抗炎細胞因子來阻斷炎癥信號。事實上，T細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可增強抑制并限制Th1的應答。此外，MSC能夠阻止樹突狀細胞向淋巴細胞抗原表達，以及抗原向淋巴結(jié)(激活位置)的遷移。使用MSC后機體中CCR7 、CD49d 1顯著下調(diào)，這兩種因子參與淋巴器官的樹突細胞歸巢。
細胞治療在動物醫(yī)學中的應用
自2000年代初以來，在動物醫(yī)學領域，細胞療法已成為臨床現(xiàn)實，最初的應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、韌帶損傷和關節(jié)疾病等效果顯著。當前，關于應用MSC的治療方案的研究數(shù)量在不斷增加，而且狗、貓和馬的細胞治療取決于動物醫(yī)師與實驗室的聯(lián)系，后者可以分離、培養(yǎng)和制備要使用的細胞。在這方面，獸醫(yī)和實驗室專業(yè)人員要共同決定什么是最佳的治療形式。
圖2 細胞療法在動物醫(yī)學中的應用。由于遺傳因素、退行性過程和不適當?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、關節(jié)和脊椎盤軟骨磨損、肌腱炎、骨折和骨退化。臨床應用和治療方案是基于成體干細胞的使用，從新鮮骨髓或脂肪組織中分離；或在實驗室中從這些組織中擴增，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動，如狩獵、格斗和斗牛，但細胞療法在賽馬運動中應用得更廣泛。這是因為這種模式是最容易導致馬肌腱、關節(jié)、軟骨和骨頭受傷的方式之一。在動物醫(yī)學中，跳躍也是一種導致這類傷害的活動。除了動物健康問題、損傷，同時也會產(chǎn)生相當多的經(jīng)濟問題，因為賽馬是一種需要耗費大量資金進行體能訓練和競技訓練的動物。（歐盟委員會已批準上市首款干細胞獸藥，用于減少馬匹由非膿性關節(jié)感染引發(fā)的輕中度復發(fā)性跛行。）
其實，在筋疲力盡的訓練后，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，這將妨礙其運動，并可能加劇炎癥過程?？紤]到肌肉骨骼損傷，在一項研究中有30只動物接受了細胞治療，其中28只重新返回了賽場，表明細胞治療產(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伴隨著大量細胞的匯集和新纖維組織的形成，但生物力學性能較低，導致性能衰退，增加了新的損傷的風險。馬和狗是臨床上受影響最嚴重的動物，通過MRI和B超對其進行分析，它們的肌腱病變與人類的組織病理學相似。指屈肌腱的重復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胞歸巢機制，從而使干細胞注射修復肌腱成為可能。此外，越來越多的實驗方案描述了使用干細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(參與細胞間通訊的胞外囊泡)可能分泌抗炎因子，這對肌腱修復非常有效。
此外，競賽活動也會導致軟骨損傷，尤其是關節(jié)處，這些損傷也與動物醫(yī)學有關。事實上，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)韌帶炎以及骨關節(jié)炎。即使這些損傷引起干細胞歸巢，其生理機制仍是弱激活的。研究表明，MSC具有向成骨細胞和軟骨細胞分化的巨大潛力，無論是否存在軟骨生成誘導，均能夠逆轉(zhuǎn)損傷，改善受損關節(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度運動的動物中相當常見，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)干細胞進行形態(tài)學和生理學研究。研究表明，MSC的特性，如增殖能力的基礎分析、衰老、細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，能在體外擴增，并顯示出增殖和分化的潛力，從而符合進行細胞治療的條件。從脂肪組織中分離的MSC經(jīng)常被應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)干細胞植入急性脊髓損傷犬中的情況，對成熟神經(jīng)細胞進行核磁共振成像和病理組織學檢查，發(fā)現(xiàn)細胞組神經(jīng)傳導速度、軀體感覺電位和神經(jīng)功能明顯改善。同種異體間充質(zhì)干細胞也用于治療犬髖關節(jié)發(fā)育不良，結(jié)果表明細胞治療是安全的，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，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?？紤]到骨修復和延長(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，這種細胞類型還可以作為藥理學藥物的基因載體(體外基因治療)，從而幫助骨形成。
結(jié)論
細胞療法是一種安全的方法，而且不太昂貴或費力，可以應用于多種哺乳動物，因為它們的形態(tài)組織基礎相類似。基于間充質(zhì)干細胞有促進組織修復、激活旁分泌因子、免疫調(diào)節(jié)和感知細胞歸巢信號的能力。因此，這些細胞經(jīng)常被用于伴侶和競賽動物，以治療骨性疾病(如骨關節(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?shù)娘嬍车纫?。干細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：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.