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      CPHI制藥在線 資訊 小泥沙 間充質干細胞抑制瘢痕作用機制以及提高皮膚修復效率的方法
      間充質干細胞抑制瘢痕作用機制以及提高皮膚修復效率的方法
      來源:CPHI制藥在線
        2024-03-28
      近年來,隨著組織工程學的飛速發展,發現間充質干細胞(MSCs)是構建全層皮膚的理想種子細胞,在治療皮膚創傷方面展現了良好的應用前景。

      間充質干細胞抑制瘢痕作用機制以及提高皮膚修復效率的方法

             皮膚是機體最大的器官,具有屏障、吸收、感覺、體溫調節、代謝、免疫等多種生理功能。大面積皮膚燒傷、皮膚良惡性腫瘤、皮膚色素性疾病等引起的皮膚損傷嚴重影響患者健康。其中,皮膚燒傷不僅破壞皮膚的屏障功能,還改變皮膚的痛覺、溫覺、觸覺等。研制含皮膚附屬器的功能性組織工程全層皮膚是解決大面積皮損的有效途徑,具有重要的研究價值。近年來,隨著組織工程學的飛速發展,發現間充質干細胞(MSCs)是構建全層皮膚的理想種子細胞,在治療皮膚創傷方面展現了良好的應用前景。

             1、皮膚愈合的過程和機制

             皮膚損傷修復需要經過皮膚細胞嚴密的編排、整合及分化、遷移、增殖和凋亡過程,才能實現皮膚多層結構的再生。皮膚損傷的修復可以概括為以下 4 個時期:①血液凝固期:損傷初期血小板和凝血因子被激活,啟動內、外源性凝血途徑實現凝血;②炎癥反應期:中性粒細胞、單核細胞和巨噬細胞增多,通過吞噬異物和調節炎癥因子的釋放調控炎癥反應;③細胞增殖期:包括通過成纖維細胞增殖介導肉芽組織形成、通過角質細胞介導再上皮化和通過內皮細胞增殖介導血管生成等過程;④組織重塑期:隨著細胞外基質(extracellular matrix,ECM)的分泌和肉芽組織的增生,成纖維細胞分裂合成大量膠原纖維,新生血管增多。后期在基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs)作用下,降解 ECM,膠原蛋白發生新陳代謝,最終導致瘢痕的形成。

             2、MSCs促進創傷愈合、抑制瘢痕形成機制

             ①免疫調節作用。在組織損傷發生后,傷口處炎癥環境會直接刺激MSCs發揮其特有的免疫調節作用,包括增強環氧合酶2的活性,上調前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)等。在PGE2的影響作用下,T 細胞和巨噬細胞開始重新編程并開始表達高濃度的IL-10,而研究發現IL-10 對無瘢痕修復必不可少,其過量表達能明顯抑制瘢痕的形成。MSCs 抑制中性粒細胞侵入到傷口處,以防止嗜中性粒細胞釋放的活性氧(reactive oxygen species,ROS),進一步引起機體組織氧化損傷;IL-10 也可通過直接下調巨噬細胞和T細胞中TGF-β1 的表達、重新編碼成纖維細胞、上調基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)的表達、下調膠原的表達促進細胞外基質的重塑以達到抗纖維化的目的。此外,IL-10 還能通過減少促炎因子IL-6 及IL-8 的表達來達到抑制膠原過度沉積。

             ②分泌一氧化氮中和活性氧。MSCs 可以促進氧化氮合酶的產生,通過改變 ROS/RNS 的平衡來有效地抑制纖維化組織的形成。在創傷開始的炎癥期,中性粒細胞分泌膠原過度沉積的增強劑如超氧化物、過氧化氫以及烷基過氧化物等大量的ROS。ROS的主要作用是對膜磷脂產生氧化作用以及通過對TGF-β1的誘導而促進纖維化的發生。MSCs可促使ROS 轉變為活性氮分子(reactive nitrogen species,RNS),如過氧硝酸鹽等,減緩對DNA和膜磷脂的損傷,從而抑制纖維化的發生。

             ③分泌具有抗纖維化生長因子。研究表明,MSCs可分泌各種細胞因子和生長因子,一些因子具有抗纖維化的作用,如肝細胞 生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)、IL-10 以及腎上腺髓質素等。HGF 在減輕纖維化以及抑制皮膚瘢痕形成的機制主要包括:一是對成纖維細胞功能的調節,在HGF的存在情況下,HGF 受體通過綁定中和TGF-β/Smad 信號通路的下游信號級聯反應,抑制SMAD3 蛋白的促炎基因的轉錄因子作用,成纖維細胞下調 TGF-β1、Ⅰ型和Ⅲ型膠原的表達,還可以刺激成纖維細胞 MMP 家族 MMP-1、MMP-3及MMP-13 表達的上調,促使ECM發生逆轉。二是HGF通過促進角化細胞的遷移增殖,并上調血管內皮 生長因子A(vascular endothelial growth factor-A,VEGF-A)的表達,促使創傷處生成高質量的并且血運豐富的肉芽組織,促進傷口的上皮化的形成。三是HGF可抑制各種來源的肌成纖維細胞的分化,HGF可以抑制創傷處的成纖維細胞向肌成纖維細胞分化。

             ④調節皮膚成纖維細胞的數量及功能。MSCs可作用于損傷處的成纖維細胞來調控細胞外基質的產生,使損傷皮膚的修復更接近于正常皮膚。在創傷修復過程中,皮膚恢復其完整性必須要有成纖維細胞的參與,但是這些成纖維細胞會產生過多的 ECM,從而導致瘢痕的產生。在創傷處的MSCs 通過分泌的生物活性分子包括HGF、PGE2 等可以抑制血管內皮細胞 EMT,也可以抑制肌成纖維細胞的分化。另外,在修復過程中,MSCs 還可通過旁分泌分泌生物活性因子促進成纖維細胞的功能。

             ⑤促進組織的血管再生及血管穩定。創傷修復過程中的炎癥階段、上皮形成期、成熟期等都必須依靠新生的毛細血管和結締組織即肉芽組織的增殖和修補來完成,在增殖階段,血管再生可為肉芽組織形成提供營養。在血管系統重塑的過程中,除巨噬細胞及成纖維細胞外,MSCs也會分泌促進血管化的細胞因子包括成纖維細胞生長因子、VEGF-A等,促進微血管內皮細胞的增殖、遷移以及分化。另外,MSCs 還可通過旁分泌(如分泌腎上腺髓質素等)來促進血管的穩定保護脈管系統。

             ⑥可分化為各種皮膚細胞。MSCs都具有典型的成骨、成脂及成軟骨的分化能力,這也類似于在創傷部位各種來源的成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化一樣,是一個表型的轉化。研究表明,MSCs 可分化為各種皮膚細胞,包括表皮細胞、角化細胞、小血管內皮細胞等,直接參與到表皮和真皮結構再生過程,達到促進皮膚創傷愈合的目的。

             3、提高MSCs修復皮膚損傷效率的有效途徑

             目前應用MSCs促進皮膚損傷修復的方法主要是局部注射和靜脈注射。局部注射一般是將MSCs注射至創面的周圍,但由于注射的面積和深度難以控制,并不能讓MSCs直接、均勻地分布在創面上。靜脈注射則不能保證所有MSCs都參與皮膚修復,且MSCs分泌的外泌體在體內很快會被清除,難以維持較高濃度狀態,需多次給藥。此外,注射的方法還會對皮膚造成二次傷害,給治療帶來一定的困難。這些問題使得間充質干細胞的最終治療潛力受到限制,達不到其應有的修復效果。因此,人們也對如何提高 MSCs 的修復效率做了許多探索,取得了較為豐富的研究進展。

             ①生物支架。生物支架具有良好的生物相容性和生物降解性,可將干細胞輸送到傷口處。常見的用于促進皮膚損傷修復藥物遞送的生物支架材料分為天然支架和合成支架。天然支架的材料成分包括透明質酸、殼聚糖、膠原蛋白、海藻酸鹽等,合成支架材料成分包括聚乙二醇、聚乳酸-羥基乙酸等。目前,對于皮膚損傷應用最多的支架形式為水凝膠支架,它可以使外泌體在皮膚局部應用后濃度更加穩定,以延遲外泌體的釋放并增強其傷口愈合能力。水凝膠是一種穩定的親水性網絡結構,通過物理、化學和生物酶法交聯而成,具有良好的生物相容性、可降解性和保水性等,已被證實是最友好、經濟并容易獲得的材料,在臨床醫學中顯現出極大的應用潛力。水凝膠負載間充質干細胞來源的外泌體(MSC-EXOs)既可解決靜脈注射法造成的外泌體在體內被快速清除的問題,又可以將含有外泌體的水凝膠直接放置于目標部位或其附近,能夠保證外泌體的作用劑量更加集中,同時發揮外泌體和水凝膠促進傷口修復的作用。

             ②預處理。通過某些預處理可以改善 MSCs 的生化和生物物理特性,從而增強其修復功能。研究發現內皮細胞培養基預處理的脂肪MSCs 在體外和糖尿病小鼠創傷模型中均顯示出血管生成能力、增殖能力和向內皮分化能力的增強。MSCs 還可以經過一些化學物質的預處理提高修復皮膚損傷的能力。如使用卵磷脂乳化的鴯鹋油和丁基羥基甲苯處理脂肪 MSCs,顯著提高了其再生潛力。此外,也有人嘗試用生物玻璃材料激活尿液來源的MSCs,通過刺激 MSCs 與受體細胞之間以及成纖維細胞與內皮細胞之間的旁分泌效應來提高小鼠皮膚的愈合能力。

             ③低氧環境。研究表明,缺氧可以提高 MSCs 的皮膚創傷愈合能力。在小鼠傷口愈合模型中植入人羊膜MSCs,發現與正常條件下培養的 MSCs 相比,缺氧條件下培養的 MSCs 具有更高的生存能力和增殖能力,并增加了血管內皮 生長因子的表達。這些MSCs 還提高了人真皮成纖維細胞的活力和遷移率,增加了細胞外基質的表達,加速了傷口愈合。此外有研究人員發現低氧環境下,小鼠的骨髓 MSCs在體外分泌了更多的堿性纖維母細胞生長因子、血管內皮 生長因子 A 和白細胞介素-6。在體內實驗也發現移植的骨髓 MSCs 在低氧環境下能使皮膚傷口收縮明顯加快,體內細胞增殖、新生血管形成速度明顯提升。

             ④基因重組。對 MSCs 進行基因重組,將 MSCs 既用作種子細胞又用作將目的基因傳遞到傷口部位的載體,也是一種很有前景的治療皮膚損傷的手段。有研究針對 MSCs 進行基因改造,通過改變其活性來增強其修復皮膚損傷的能力。例如,過表達轉化生長因子-β3的骨髓 MSCs 不僅改善了家兔耳部傷口愈合過程,而且減少了瘢痕組織的形成。研究人員使用重組慢病毒載體修飾人羊膜 MSCs 過表達白細胞介素-10,發現其在加速小鼠傷口愈合、促進血管生成、調節炎癥、調節 ECM 重構、促進創面愈合和提高愈合質量方面等方面明顯強于未修飾的 MSCs。

             ⑤細胞膜片技術。細胞膜片是一種無支架的細胞密集組織。由于細胞密度是提高細胞移植治療效果的重要因素之一,與單細胞片相比,移植構建的分層細胞片可以更好地促進組織功能的恢復和組織再生。研究報道,以血卟啉包合聚酮膜為材料,將骨髓MSCs 接種到膜上后敷在小鼠傷口上,這種三層細胞片移植和堆疊的方法促進了小鼠創面血管生成和皮膚再生,增強了受損皮膚組織的修復。

             盡管 MSCs 的應用無法復制胚胎式的創傷修復,而使成人的創傷修復達到無瘢痕的完 美修復,但它仍然可存在巨大的治療潛能。在皮膚創面修復愈合過程中,通過抑制皮膚瘢痕的形成達到提高創面愈合質量已成為當前皮膚再生修復研究的新目標,此時,MSCs 巨大的治療潛能則成為抑制皮膚瘢痕形成的新策略,為創面修復提供一種新的視角和治療手段。

             參考資料

             [1]張立,王強.間充質干細胞在皮膚損傷修復中的作用研究[J].中國臨床醫學,2015,22(04):571-574.

             [2]武艷,張哲,楊嵐等.間充質干細胞在創傷愈合過程中抑制瘢痕形成的作用機制[J].中國醫藥導報,2016,13(09):47-50.

             [3]程延思危,宋關斌.間充質干細胞與皮膚的損傷修復[J].生物醫學工程學雜志,2021,38(02):387-392.

             作者簡介:小泥沙,食品科技工作者,食品科學碩士,現就職于國內某大型藥物研發公司,從事營養食品的開發與研究。

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