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1、干细胞治疗急慢性肾衰竭的机制及前景?556?中国中西医结合肾病杂志2004年9月第5卷第9期干细胞治疗急慢性肾衰竭的机制及前景高辉张翥樊均明刘先蓉终末期肾衰竭是各种慢性肾脏病进行性发展的最终结果,只能实施血液透析,腹膜透析和肾移植,前二者称为不完全替代治疗,透析的同时需补充促红细胞生成素等,且并发症多,生存质量不高;肾移植为完全替代,然而由于供体短缺,免疫抑制,外科手术并发症_1以及长期等待肾移植所造成的较差的移植效果2,因此急需一种新的,更先进的方法用于肾衰竭的治疗.本文就干细胞用于急慢性肾衰竭的治疗综述如下.1干细胞的分类和生物学特征干细胞(stemcel1)即起源细胞,是一类具有自我更新
2、,高度增殖和多向分化潜能的细胞群体.1.1干细胞的分类根据分化能力的不同分为:(1)全能干细胞(totipotent):在早期胚胎发育过程中可以产生200多种细胞类型,进而构成心,肝,肾等全部人体各种组织器官,最终发育成一个完整的个体.受精卵就是一个最初始的全能干细胞.(2)多能(pluripotent)干细胞:具有分化成多种细胞组织的潜能,但不能发育成完整的个体.(3)专能干细胞(multipotent):专能干细胞由多能干细胞进一步分化而来,它只能分化成某一类型的细胞,如神经干细胞可以分化成各类神经细胞;造血干细胞可以分化成红细胞,白细胞等各类血细胞【.按照其来源的不同又可分为:(1)胚胎
3、癌或畸胎瘤:这类瘤体中的细胞是多能性干细胞和瘤细胞.多能干细胞的最初发现就是源于对这些肿瘤的研究.(2)胚胎干细胞(embryonicstemcell,ES):属于全能干细胞,是由早期胚胎内细胞团或原始生殖细胞由体外分化抑制培养,在传代过程中筛选出的具有全能作用的细胞.在适当的条件下可分化为胎儿或成体内各种类型的组织细胞.胚胎干细胞有两个亚型:一种是胚胎生殖细胞(embryonicgermcell,EG),起源于胚胎性腺的原始生殖细胞(primordialgermcells,PGCs).另一种是起源于胚囊内细胞团的胚胎干细胞.(3)非胚胎干细胞:它在文献上有许多不同名称,如成体干细胞,躯体干细
4、胞或内源性干细胞【.1.2生物学特征干细胞主要有两个生物学特征:第一,在每个细胞分裂周期,它都能进行复制从而保持干细胞库存量.第二,它能分化形成特定的细胞.如果一个细胞能产生所有三个胚层和包括胎盘在内的所有胚胎外组织,那么这种分化属全能性,这种细胞称为全能干细胞,受精卵即是一个例子.如果细胞能够产生三个胚层的祖细胞,但不能产生胚胎外组织,该种细胞是多能干细胞.专能干细四川大学华西医院肾脏内科(成都610041)胞则只能分化成超过一种组织类型,不能形成所有三个胚层引.目前已提出许多模型用于解释自我更新和分化的调控机制.通过mRNA的不对称分配,一个细胞分裂周期能产生一个严格的祖细胞和一个新的干细
5、胞.同样的,干细胞也能通过对称分裂形成两个严格的祖细胞或两个于细胞.在促使干细胞分化过程中,干细胞的周围环境,或者说干细胞所处的位置起了很重要的作用.与细胞周围环境的连接(如基底膜)能指导mRNA和细胞蛋白的分布从而决定分化.2肾脏干细胞越来越多的证据表明许多器官系统都有天然的干细胞群_6j.例如:骨髓含有造血干细胞,脑室管膜有神经干细胞,胃肠道黏膜,肝脏和胰腺等【8-10也都发现有自己的干细胞.因此,有理由推测肾脏也有这样的一组细胞群.当治疗性植入肾脏干细胞时,它们会使肾脏细胞更新增殖.急性肾损伤时,肾小管细胞能再生,理论上增加了肾脏内存在局部干细胞群的可能性_11,.但迄今为止成体肾脏内尚
6、未发现干细胞群.这可能有两方面的原因:一是成体肾脏中确实没有干细胞,二是证实这些细胞的技术水平还未达到,且后者的可能性更大_11.最近的发现揭示肾脏ES细胞的存在(例如:胚胎内的干细胞产生了肾脏),它包括两方面的含义:(1)发现肾脏ES细胞可能有助于用分子基因和形态学标记物来识别成体肾脏干细胞.这种含义存在尚未解决的问题:即是否ES细胞存在于胚胎器官与干细胞存在于成体器官中一样.(2)肾脏ES细胞可能提供新的治疗途径.因为通过肾脏祖细胞移植使肾脏器官再生可能是一种有效的方法.肾脏的三种胚胎祖细胞即前肾,中肾,后肾均起源于中胚层.前肾在受孕第四周退化.中肾形成中肾小球和中肾小管,但是缺乏环状结构
7、.中肾小管(也叫Wolffian管)起源于中胚层.中肾小管与中肾管接合形成一个腔,通过它与泄殖腔连接.中肾管尾部出芽形成输尿管芽,然后发育成中肾管间充质.通过输尿管芽与中肾管间充质的联系,输尿管芽然后分化成肾盏,肾盂,集合管和输尿管.因此,中肾间充质分化形成肾单位的上皮细胞.胚胎肾脏的肾小管旁平滑肌和内皮细胞起源于肾脏内后肾间充质_1.肾脏大血管起源于肾外,源于发育中的大动脉.说明化学诱导物在肾脏形成中起重要作用_1.胚胎肾脏干细胞可以产生或调节微血管祖细胞,这样就可能中国中西医结合肾病杂志2OQ璺9月筮鲞筮!用干细胞治疗肾脏血管病变.除了集合管上皮起源于输尿管芽外,后肾问充质形成了所有肾单位
8、上皮细胞,此外,间充质细胞也分化成肌成纤维细胞和平滑肌细胞.这种分化作用可以被TGFp1加强,被型胶原减弱.这些资料表明间充质含有肾脏干细胞,至少是多能干细胞.另一个可能存在干细胞的地方是中肾.因为二者的细胞都需要Pax一2基因才能形成,同时需要通过表面外胚层分泌的骨形成蛋白一4(BMP4)趋动Pax一2表达的协同作用.中肾和后肾都与中肾管和输尿管芽有密切联系.细胞学研究表明中肾富含干细胞ll.中肾是大动脉一性腺一中肾区域的一部分,是成体血发生的第一个场所.因此,中肾与后肾有密切的调控和遗传学上的关系,也含有丰富的用于产生造血细胞和性腺结构的干细胞,这增加了干细胞和成体肾脏联系起来的理论可能性
9、.现在,有关直接移入胚胎后肾进行恢复结构和功能方面的知识越来越多.人类胚胎肾脏片段囊下植入大鼠体内可导致植入的胚肾生长和分化.虽然移植的胚肾生长和分化很有前景,迄今为止,实验尚未证实供者的肾单位能整合入受者的集合系统并使肾功能好转.为了说明这个问题,有人已试图把胚胎肾组织移入肾实质内.结果,移植物形成了有血管的肾小球(血管来源于宿主),成熟的近端小管以及广泛的后肾肾小管延伸入肾髓质,但是供者的肾小球并没有与宿主本身的集合管联接起来.同样,在动物模型中,把后肾植入网膜(为避免囊下植入或肾实质植入的空间限制)产生了正常的肾脏结构;通过菊粉清除率和浓缩尿的产物证明这些新产生的肾脏具有功能I7.3骨髓
10、干细胞和肾脏研究者都希望用干细胞使组织再生,因而骨髓受到了越来越多的重视.这可能是因为:第一,骨髓可能有多向分化的能力.第二,供者来源相对容易,这使临床应用更可行.第三,骨髓干细胞来源于成人,因而避免了用KS细胞治疗所带来的伦理道德上的争论.第四,一旦获得并在体外进行修饰,这些细胞可被重新引入自体,在理论上对免疫源性反应的发生有益处.第五,在一些自身干细胞尚未被证实的器官系统(例如肾脏),骨髓干细胞可能是很好的选择.骨髓含有多种亚型干细胞,许多研究结果证实这些细胞植入其他器官系统内能产生分化.放射线照射的雌性小鼠(去除骨髓)接受雄性骨髓移植,形成了包含雄性供者Y染色体的肾小管细胞,表明骨髓细胞
11、能移入肾脏并形成肾小管上皮.来源于遗传性易患肾小球硬化的小鼠的骨髓在受者体内形成了硬化性肾小球系膜(平滑肌或肾小球血管).证据包括受者硬化的肾小球形态学特征和肾小球细胞遗传学上向供者方面的改变.增强的绿荧光蛋白标记的骨髓细胞在受者鼠体内形成了系膜细胞(证据:表达大鼠系膜特异性Thy1)ll9I.小鼠缺血再灌注损伤模型和随后进行的性别不匹配的HSC移植模型表明,干细胞植入率约(8.33.2)%,并形成?557?了肾脏近端小管.在性别不匹配的肾移植病人由急性肾小管坏死引起的肾衰竭中,移植物中大约1%的小管细胞来源于宿主.证据是CD4阴性(用来排除炎症细胞),Y染色体阳性,细胞角质素阳性【1?22l
12、.慢性排斥反应中,移植肾的间质和血管区可发现宿主的间充质细胞,这表明了间充质祖细胞的循环流动性,如果这些细胞能分化并融合的话,间充质细胞到达移植肾可能提供了组织再生所需的细胞物质.4目前存在的问题对于骨髓干细胞分化形成新的特定的细胞,还是与受者细胞融合的问题上存在着很大争议;骨髓干细胞增殖,归巢,分化成肾脏各种细胞的机制尚不清楚;在肾脏小管基底膜损伤的部位,上皮,间质移行处的一些主要调控分子(包括TGF一,EGF,FGF,PI)GF)可促进小管再生和修复,如何调节不明了.目前所获得的移植程度太低,难以达到治疗效果,如何把干细胞靶向损伤区恢复肾脏功能?不清楚哪种类型的干细胞最适用于肾脏植入和分化
13、.因为在肾脏的分化和植入中,不同的骨髓干细胞可能有不同的能力.究竟何种体内环境最适合干细胞的生存和分化?5干细胞的应用前景有证据表明胚胎干细胞形成了肾脏细胞.EG细胞放在嵌合胚胎内后形成了肾组织_2.心脏学领域已经开始把胚胎干细胞转入心衰病人梗死过的心脏,这给用于细胞治疗肾脏病提供了理论依据_2.已证明移植由ES细胞培养后分化的心肌细胞能提高心脏功能,降低病理性重构,减少梗死面积,动物实验受者的死亡率下降【26.用类似方法将干细胞用于肾脏衰竭时,必须克服几个问题:把未经修饰的胚胎干细胞引入肾实质内,可能不形成有组织,有功能的肾组织,而更可能形成畸胎瘤.因此,正如心脏学方面的研究所述,在体内进行
14、有功能的肾组织的再生可能需要体外预先分化胚胎干细胞,这就要求我们对控制早期分化的调控因子非常了解.心肌和血管重新恢复功能是改善12,输出量的目的.肾脏与心脏不同,有26种细胞,它们对恢复肾脏功能均起重要作用l1引.这些细胞膜的极性,泵功能,内分泌特性和血管构成均不同.或者将单个祖细胞分离,培养后移入肾内,能形成各种细胞类型,或者不同细胞类型单独培养后再移入受者体内.细胞治疗的时机也是很重要的.实验条件下,心肌再生必须在梗死后30min内把干细胞移人心梗心脏,在此期间组织恢复的可能性最大.然而对于慢性肾衰竭(chronicrenalfailure,CRF)病人,肾脏长期的纤维化,重构可能阻碍组织
15、再生.急性肾衰竭(acuterenalfailure,ARF)和终末期肾脏病(endstagerenaldisease,啪)时,干细胞植入和分化的证据增加了干细胞治疗的可能性,使再生过程成为可能22,23,27.将来可能无需肾脏移植而将肾脏的祖细胞植入发育成一个结构功能正常的肾脏,形成自身的肾脏更新.?558?干细胞可能在遗传性肾脏病的早期基因治疗中有一定作用28j.干细胞可能被用于选择性传递治疗药物,激素,细胞因子和生长因子,将葡萄糖反应性胰岛素产生干细胞移入用于实验性治疗胰岛素依赖性糖尿病J.干细胞工程和移植术可能使.肾脏激素分泌,用于再生性地刺激生长因子的产生及内源性药物释放成为可能.干细胞的可塑性为.肾衰竭的治疗开辟了广阔而美好的前景.目前正在进行寻找成体干细胞和更具特征性的胚胎.肾祖细胞的工作.干细胞用于.肾衰竭的治疗才刚刚起步,尚有很长的
