回输到体内的干细胞怎么知道自己要去哪?要理解这个过程就离不开“归巢”的概念。 干细胞归巢(Stem Cell Homing)是指循环干细胞或外源性输注干细胞的定位,以及进入环境生态位的能力。在胚胎发育和成年期,干细胞可能会在不同的生态位之间迁移。当然,也会发生归巢到受损组织的情况,机体就是以这种机制来修复损伤的。 干细胞归巢是一个内源性的生理过程,包含多个步骤。外源性输入的造血干细胞和祖细胞(HSPC)也遵循这些过程。这个过程中的细胞迁移对造血干细胞移植很重要。如果我们可以操纵这个过程,就可以提高输注细胞最终的植入效果。 了解干细胞归巢对了解干细胞动员也很重要。归巢对于骨髓间充质干细胞和基质细胞(MSC)募集到损伤和再生部位十分关键。研究清楚其中的过程,才能将这些细胞更好地应用于修复。 来自美国罗切斯特大学的研究人员在《Stem cells》发表了题为“Stem cell homing: From physiology to therapeutics”的综述,总结了HSPC和MSC归巢的过程,以及增强这一过程的方法。 ![]() 文章首页截图 — 以HSPC为例,在正常状态下,成人的骨髓中会造血,而未成熟的血液元素不会从骨髓中排出。这也是为什么很少在血液涂片上观察到前体细胞,如成纤维细胞、早幼粒细胞和骨髓细胞。 静脉注射的干细胞必须进入骨髓才能进行造血。HSPC归巢至骨髓的第一步就是与窦内皮产生相互作用。内皮细胞将HSPC引导至骨髓,并在血流的剪切应力下减缓细胞运动,使HSPC能够束缚在内皮上并沿着内皮滚动。 正弦血管中的剪切应力较低,有助于归巢过程。而且,HSPC的归巢需要具有半乳糖基和甘露糖基特异性的选择素受体。在选择素介导后,HSC在血管内皮的粘附配体上迁移。 一旦HSPC发生滚动和粘附,骨髓窦内皮上VCAM-1、ICAM-1以及E-和P-选择素的表达就会上调,促进栓系过程。鼠和人HSPC都能够形成足体,可以直接跨细胞迁移,但在血管内皮钙粘蛋白功能丧失的情况下,可能会发生通透性增加和细胞旁迁移。 整合素构象的变化有利于与内皮细胞的紧密粘附。然后,干细胞通过内皮细胞的细胞质或细胞旁进行迁移。最后,细胞通过矩阵迁移到达目的地。CXCL12、c-kit配体、组织蛋白酶和基质金属蛋白酶可促进这一过程。 HSC归巢和进出骨髓的步骤 — 来源:Liesveld, J. L. et al, 2020 干细胞归巢是造血干细胞移植成功的关键,因此,深入了解如何增强和完善归巢具有重要的临床意义。另外,间充质基质细胞向组织损伤部位的归巢也有关键意义,因为越来越多的治疗在使用间充质基质细胞。 ![]() 增强间充质基质细胞归巢的方法实例 — 来源:Liesveld, J. L. et al, 2020 来自美国斯坦福大学医学院的研究人员在《iScience》发表了题为“Mesenchymal Stromal Cell Homing: Mechanisms and Strategies for Improvement”的综述,回顾了用于改善MSC归巢的各种策略,包括遗传修饰、细胞表面工程、MSC体外启动,以及超声技术。 ![]() 文章首页截图 — 首先,他们基于多步模型梳理了MSC归巢的分子机制,包括(1)选择素的初始束缚,(2)细胞因子的激活,(3)整合素的阻滞,(4)使用基质重塑剂的血细胞渗出或迁移,以及(5)沿着趋化因子梯度的血管外迁移。 ![]() 间充质基质细胞归巢机制 — 来源:Ullah M. et al, 2019 从这些分子机制出发,有哪些策略可以提升归巢呢? 通过病毒转导对归巢因子永久过表达就是一种经过研究的策略。在骨髓间充质干细胞中过度表达CXCR4,可以增加细胞的活化,促进其移植到大鼠缺血心肌中。而且,这一策略已经在小鼠各种不同的疾病模型中得到了验证,它可以促进MSC的归巢。 由于病毒转导可能存在安全问题,有研究人员选择了信使核糖核酸转染,因为这种方式简单、快速,而且蛋白质表达是短暂性的。转染的细胞在体外和体内成功地在发炎的内皮上滚动,并在小鼠模型中显示出对骨髓和发炎耳朵的归巢增强。 鉴于基因修饰的潜在安全问题,许多研究小组尝试直接对MSC的细胞表面进行化学工程改造,这些修饰也是暂时性的。即使是短暂的修饰,也足以改善归巢。 在采用这一策略的研究中,细胞活力、增殖、粘附和分化都没有受到影响。然而,这些细胞表面工程方法往往很复杂,需要对每个特定的配体或受体进行复杂的反应和优化。 除了针对MSC本身做修饰外,也许对靶组织进行修饰也是个不错的办法,目的就是增强靶组织对MSC的吸引力。例如,将SDF-1直接注射到缺血组织中,可增强骨骼肌和心肌中的新生血管形成。将SDF-1注射到缺血后肢肌肉中,可以将静脉注射的内皮祖细胞在小鼠中的归巢提高1.8倍。 有研究团队尝试了用编码趋化因子的构建体去转染靶组织,即用超声介导的微泡破坏(UMMD)方法将含有SDF-1或SCF的质粒递送到心肌中,结果成功地增加了心肌中SDF-1的表达,并增加了内源性CXCR4表达祖细胞的归巢。 ![]() 改善间充质基质细胞归巢的策略 — 来源:Ullah M. et al, 2019 |
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