【转化医学】血管外科细胞治疗应用de理论基础

原创：武汉协和医院血管外科 Lyu（吕平）

转化医学被欧洲转化医学协会定义为：一个生物医学领域的交叉分支，由三大支柱支撑，即实验台（实验室研究）、床旁（临床医学）和社会。转化医学的目的是整合上述三大支柱内的学科、资源、专业知识和技术以促进增强预防、诊断和治疗。 因此，转化医学是一个高度交叉的学科领域，其主要目的是联合各个支柱内的不同性质的资产以便显著改进全球的医疗保健体系。 

多能干细胞——诸如间质干/基质细胞以及不同来源的干细胞（如来源于血管壁的干细胞）正被深入研究以试图将其在实验室被发现的特性转化到临床应用中。血管壁定植干细胞的募集、分化、生存、增殖、生长因子的产生以及信号旁路的转导等已被研究分析。目前有研究将成体血管壁定植的多能干血管干细胞转化用于临床治疗像动脉瘤或外周动脉阻塞性疾病。

点击漫画可单独清晰放大

当前和潜在的干细胞治疗性应用是多样和复杂的。有很多涉及干细胞的研究领域，包括发现的高度多能干细胞的新来源以及让干细胞永存的方法、创造诱导的多能干细胞克隆来研究遗传疾病或探索药物基因组学、应用于再生医学。目前已将血管壁定植的祖细胞应用于治疗血管疾病。

均来源自中胚层的内皮细胞、平滑肌细胞和外膜基质纤维母细胞一起构成了血管壁。最近研究表明在动脉壁内有定植的具备生成血管性能的祖细胞，这些细胞在胚胎和胎儿期出现，在成体中这些细胞仍位于特定的小生境内以确保血管组织的更新和修复，并触发出生后的血管生成过程。血管生成是以新血管或毛细血管从先前已存在的血管生长出来为特征的，在出生后生理、病理情况下的组织重塑中起到关键作用。

基质金属蛋白酶是涉及细胞外基质底物降解的酶，起着调控作用并参与出生后血管生成的关键阶段。 诸如肢体、视网膜和缺血损害的心肌等数种组织的血管化可以利用造血祖细胞以及骨髓源内皮细胞来恢复。有研究表明静止的多能干细胞定植于血管壁， 在血管病理部位如动脉瘤，静止的多能干细胞可被激活并分化成平滑肌细胞。不同的基质金属蛋白酶表达可调控血管壁定植的干细胞生物学特性释放生长因子和激活信号通路。

研究已很好地评估了干细胞的生理及那些维持其多能性的许多因子。内皮细胞和血管平滑肌细胞主要是中胚层细胞的后代细胞。然而也有研究描述血管平滑肌细胞的外胚层起源。许多因子调控中胚层分化为血管细胞，这一过程非常复杂并被精细调控。血管是通过被称为发育性血管发生过程而由内皮前体细胞生成的。血管生成也被称为侧支血管生长，是先前存在的侧支小动脉转化成功能性的侧支动脉，可由人骨髓源基质细胞通过旁分泌机制诱导。许多生长因子和细胞因子的表达诸如血管内皮生长因子和基质细胞衍生因子-1a是由低氧诱导因子-1a调控的，而低氧诱导因子-1的激活是由于低氧组织或肿瘤中氧张力降低。血管内皮生长因子和基质细胞衍生因子-1a释放入周围循环导致造血细胞如内皮细胞集落形成单元和循环成血管细胞的募集于受累组织。

之后，这些因子应用细胞内钙离子信号工具包激活血管生成过程。未成熟的血管平滑肌仍涉及血管的形态发生，它们增殖、移动并产生血管壁的细胞外基质成分。血管平滑肌细胞的分化过程是由许多血管生长刺激如缺血损伤启动的。缺血损伤涉及基质蛋白酶，被称为基质金属蛋白酶，而基质金属蛋白酶涉及一些血管及非血管疾病。

干细胞研究在科学上前途无量，同时在伦理上又存在挑战性。在血管疾病，像动脉瘤其复杂的发病机制涉及炎症、基质金属蛋白酶激活、细胞外基质重塑以及血管平滑肌细胞功能障碍和凋亡导致在机械刺激下血管壁弱化和动脉的膨胀。

数种并发症如破裂、夹层和动脉远端栓塞常见。动脉瘤的退行性重塑是由动脉壁过多的被破坏与干细胞修复不足联合导致的结果，干细胞在产生一个对血管再生有益的微环境中扮演着重要角色。血管壁定植的祖细胞也已从人的胸腹主动脉分离出来，在被称为血管生成区的血管壁区域内含有特定的内皮祖细胞亚群。

在动脉瘤，慢性炎症导致基质金属蛋白酶激活诱导局部血管壁定植的祖细胞和组织定植的内皮祖细胞动员参与涉及干细胞的、活跃的修复过程。

血管壁定植的祖细胞促进血管的修复，这是通过其分化成血管滋养管内的血管平滑肌细胞和纤维母细胞来实现的，而血管滋养管定位于血管壁外膜层。基质金属蛋白酶激活可引起促血管生成因子如血管内皮生长因子分泌并刺激宿主干细胞增殖和分化。切应力也参与动脉瘤的病理生理。

动脉内皮细胞增殖和迁移以及中膜平滑肌细胞的增殖促进了适应性血管壁扩张与腔的扭曲。许多研究表明蛋白水解活性的基质金属蛋白酶降解细胞外基质在血管形成和重塑中起到关键作用促进了促血管生长因子和细胞因子的合成。血管形成和重塑包括血管细胞的募集、迁移、增殖和凋亡，这些血管细胞包括干/祖细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞以及其他定位于血管壁的细胞。

基质金属蛋白酶-2、9、3、1及7和膜型基质金属蛋白酶在血管组织内已被发现，通过调控血管平滑肌细胞行为在血管重塑中扮演致病性的角色。初期长出的内皮祖细胞通过分泌活性诱导仅是短暂的血管生成，后长出的细胞可能通过直接的植入而产生作用。血管壁定植的祖细胞在动脉瘤自然史的不同期发挥它们的功能作用。在早期阶段，基质金属蛋白酶活性导致生长因子释放。干细胞是静止的并定植于血管壁的干细胞小生境中，但数中刺激可导致它们激活。如果损伤适度，血管腔内的层流将刺激干细胞分化成内皮细胞以维持血管的完整性。当严重损伤或粥样硬化病变发生时，会引起局部扰流，导致干细胞朝平滑肌细胞分化，后者积聚在内膜中。

血管壁定植的祖细胞为人们提供了一种令人振奋的应用前景，可以直接操纵血管系统内的局部反应，如其已经发生的那样，以一种相似的方式，将细胞治疗用于严重的肢体缺血。