山西医学科学院发文探讨：诱导多能干细胞来源的间充质干细胞（iMSC）能否引领细胞治疗新方向
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作者：摩西 | 主编：摩西
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近年来，干细胞疗法成为生物医学领域的研究热点，并且供体干细胞在多个研究和临床治疗中已经使用了数十年。当前的细胞移植包括多种类型的干细胞，如外胚间充质干细胞、造血干细胞，以及如囊泡和细胞外囊泡等干细胞衍生物。随着细胞工程技术的进步，干细胞疗法的应用进入了一个全新的阶段，显著扩展了其治疗潜能。
诱导性多能干细胞（iPSCs）是现代生物医学领域的重要突破，开辟了生物学、病理生理学和细胞再生医学等学科的新天地。iPSCs衍生的细胞如今成为细胞疗法研究的新兴方向，而从iPSCs分化出的诱导性间充质干细胞（iMSCs）则代表了间充质干细胞（MSCs）研究中的前沿。
实验证据表明，iMSCs相比天然MSCs具有更强的增殖能力，并且减少了与年龄相关的变化和异质性。大量的临床试验进一步表明，iMSCs在细胞治疗中可能具有更为优越的应用前景。本文汇总了iMSCs的基础研究与临床试验，旨在为未来的研究提供参考和借鉴。
引言
间充质干细胞（MSCs）具有向多种中胚层细胞类型分化的能力，如脂肪细胞、软骨细胞、骨细胞和肌细胞。它们的定义依赖于特定表面标志物的表达，如CD73、CD90和CD105，并且不表达CD45、CD34、CD14或CD11b、CD79或CD19及HLA-DR。随着研究的进展，科学家们对MSCs定义的争议也逐渐增多，尤其是随着对不同组织来源MSCs异质性认识的加深。
研究已经确认了许多组织中的MSCs，例如脐带、骨髓、脂肪组织、滑膜及牙髓。不同来源的MSCs在表面标志物上有所差异，它们的分化潜力也有细微的差别，具体表现为向脂肪细胞、软骨细胞及骨细胞分化的不同能力。尽管许多文献已经广泛探讨了这些特性，但本文不再重复相关内容。研究MSCs异质性的重要性在于，它们是当前细胞治疗的主要来源，尽管在众多临床前研究及试验中表现出积极的治疗效果，但其异质性也与临床试验结果的变异性密切相关。
单细胞RNA测序（scRNA-seq）等技术的进步，使研究人员能够深入分析来自不同个体和组织的MSCs差异。例如，Wang等人通过分析发现了七个组织特异性亚群，具有不同的基因表达谱，并确认了五种保守的MSCs亚型。脐带来源的MSCs（UC-MSCs）在免疫抑制能力上表现出优势。Xie等人通过scRNA-seq识别出骨髓MSCs中的一些亚群，包括CD26+骨生成亚型、CMKLR1+功能亚型及增殖亚型。Zhang等人则通过scRNA-seq技术研究了新鲜分离、未经培养的脐带来源MSCs，结果显示在体外培养后，MSCs分化为具有免疫调节、骨生成及软骨生成潜能的亚群。
iPSCs的突破及其在MSCs研究中的应用
诱导性多能干细胞（iPSCs）通过重编程分化的体细胞产生，通常通过引入特定转录因子来实现。这一过程使得分化的细胞恢复多能性，能够形成类似胚胎干细胞的细胞系。目前，生产iPSCs的技术已经高度成熟，并在诱导和分化方法的优化上取得了重大突破。这一技术进步使得iPSCs的分化研究取得了显著成果，包括向间充质干细胞（MSCs）的分化。
与组织来源的MSCs相比，iMSCs展现出诸多优势。首先，组织来源的MSCs存在更为明显的复制性衰老现象，而iMSCs则异质性更低。其次，iMSCs可以从供体或患者细胞中生成，成为个性化细胞疗法的重要来源。此外，无论供体年龄或细胞来源如何，iMSCs均表现出年轻化的遗传特性。因此，iMSCs作为未来细胞疗法的关键细胞来源，在现代研究中占据重要位置。
iMSC 与组织来源 MSC 的比较
iMSCs的诱导方法
在过去十年中，诱导iPSCs向MSCs分化的方法取得了显著进展。现有的多种技术均能够促使iPSCs分化为iMSCs，但不同方法下产生的iMSCs可能存在差异，这些差异在其临床应用转化中至关重要。例如，Lian等人通过使用专门设计的诱导培养基代替iPSCs的培养基，成功诱导了MSCs分化。该培养基由标准的DMEM和FBS组成，辅以10 ng/mL的碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）、血小板源性生长因子AB（PDGF-AB）和表皮生长因子（EGF）。经过10天的诱导，成功生成了iMSCs。Tran等人在基础培养基中加入5 ng/mL Activin A、2 μM BIO和20 ng/mL BMP进行3天的诱导，然后用10 ng/mL的bFGF和EGF继续培养10天，完成了iMSCs的生成。
这些诱导方法在识别MSCs的标准上基本一致，且强调了bFGF在诱导过程中的重要作用。bFGF是一种促进中胚层细胞分裂和血管生成的多肽，能够显著提升iMSCs的生成效率。不同诱导方法生成的iMSCs是否在表型上存在差异尚待进一步研究。在诱导过程中，还需综合考虑成本和效率问题，同时，市售成品试剂盒也提供了经济高效的选择。
iMSCs与组织来源MSCs的比较
在iMSCs的诱导研究中，科学家们一直在思考一个问题：与直接从生物体中提取的MSCs相比，iMSCs是否具备特定的优势？研究结果表明，iMSCs与MSCs在增殖能力、基因表达及功能上存在多种差异。研究者们普遍发现iMSCs的脂肪分化能力较强，而组织来源的MSCs则在免疫调节功能上表现突出。在免疫相关功能方面，iMSCs表现出更强的免疫抑制能力，与UC-MSCs相比，iMSCs的抗炎因子表达更高，这使得它们在治疗免疫相关疾病中表现更具潜力。
iMSCs在细胞治疗中的潜力
iMSCs展现出了在多种疾病治疗中的巨大潜力，特别是在与缺血和炎症相关的病症中，如心肌梗死、下肢缺血、炎症性肠病（IBD）和急性肺损伤等。在这些疾病模型的研究中，iMSCs的主要功能是调节免疫反应和促进组织修复，类似于传统MSCs在体内发挥的作用。然而，iMSCs的具体功能可能根据不同的病理环境而有所不同。例如，Hynes等人的研究发现，iMSCs在大鼠牙周炎模型中显著促进了新生矿化组织的形成，有助于牙周组织的再生。类似的，Lian等人则发现iMSCs在小鼠的肢体缺血中具有良好的修复效果。在IBD的小鼠模型中，iMSCs通过分泌TSG-6促进了肠道黏膜的愈合，显著提升了小鼠肠道组织的再生能力。
iMSCs在细胞治疗研究中的应用
除此之外，iMSCs在保护视网膜神经节细胞（RGC）方面也展现出潜力。研究发现，iMSCs能够通过线粒体转移，帮助维持RGC的生存，并在患有视网膜病变的小鼠中恢复其视网膜功能。在哮喘炎症模型中，iMSCs通过与上皮细胞形成连接通道（TNTs），将健康的线粒体转移到受损细胞中，从而显著改善了上皮细胞的功能障碍。这些研究表明，iMSCs主要通过旁分泌信号传导或线粒体转移来恢复组织功能，而其在体内自我分化的可能性相对较低。
iMSC衍生的细胞外囊泡（EVs）在细胞治疗中的应用
细胞外囊泡（EVs）是一种由细胞分泌的小型囊泡，包含细胞成分如DNA、RNA、脂类及蛋白质，能够在细胞间传递信息，并对受体细胞的行为产生影响。由于EVs具有分子运输能力，且相比直接移植细胞，能够更有效地减少免疫反应，EVs逐渐成为细胞治疗中的关键工具。
大量研究已经确认，来自MSCs的EVs在多种疾病治疗中具有潜力，并且当前的研究正在集中于如何优化和修饰这些EVs，以提高其治疗效果。同样，iMSCs也能够分泌EVs，并且由于其增殖能力较传统的MSCs更强，因此在外部分泌和治疗应用中展现出显著优势。
在骨关节疾病的研究中，Zhu等人比较了iMSCs与滑膜来源的MSCs（SM-MSCs）在骨关节炎（OA）模型中的EVs分泌特性。研究显示，尽管两种EVs在粒径和表面标志物上无显著差异，但iMSC来源的EVs在促进软骨细胞迁移方面具有更好的疗效。此外，Cui等人开发了一种具有骨靶向能力的外泌体平台，能够递送siRNA至成骨细胞，从而增强成骨细胞分化并抑制破骨细胞的生成，这为骨质疏松症的治疗提供了新的可能性。
研究还表明，iMSC-EVs相比传统EVs，更能有效延缓椎间盘退变的进展，iMSC-EVs通过转运miR-105-5p至衰老的髓核细胞，并激活Sirt6通路，展现出抗衰老特性。在中风模型中，iMSC-EVs能够减少梗死体积，促进血管生成，并减轻神经功能损伤。
在肿瘤治疗中，iMSC-EVs也显示出强大的应用潜力，特别是在三阴性乳腺癌（TNBC）的治疗中。研究表明，iMSC-EVs在阿霉素耐药的TNBC细胞中表现出更强的细胞毒性效果，优于传统的游离或脂质体形式的多柔比星。此外，iMSC-EVs还能够通过激活STING通路，诱导单核细胞中的IFNβ表达，从而增强抗肿瘤免疫反应。研究表明，早期传代的iMSC-EVs相比晚期传代的EVs，具有更高的免疫调节功效。由于iMSCs具备较低的异质性和强大的扩展能力，其分泌物在临床应用中具备更大的发展潜力。
iMSCs与生物材料结合的治疗策略
现有研究表明，iMSCs与多种生物材料相结合，可以产生显著的组织修复效果。例如，将iMSC-EVs与水凝胶结合使用，能够显著减少疤痕形成并加速伤口愈合。使用3D打印水凝胶支架与iMSCs配合，能够优化其移植后的生存环境，提升其在体内的存活率。这一方法在子宫内膜损伤模型中的应用显示，iMSCs能够完全恢复子宫内膜的结构与功能，并部分恢复胚胎着床及维持妊娠的能力。
通过与支架材料结合，iMSCs在组织再生和修复中的应用潜力得到了进一步提升。例如，Kim等人开发了一种双层管状支架，用于促进气管黏膜和软骨的再生。该支架框架由电纺聚己内酯（PCL）纳米纤维和3D打印的PCL微纤维组成，植入支架的细胞包括人支气管上皮细胞（hBECs）、iMSCs以及iPSC衍生的软骨细胞，成功在体内促进了气管再生。这种材料与iMSCs结合的策略，展现了在仿生组织器官再生及移植中的巨大应用潜力。
iMSCs面临的挑战
iMSCs的优势包括丰富的来源、充足的数量、良好的治疗效果、高度的同质性，并且能够有效解决免疫排斥及伦理问题。作为iPSCs的衍生物，iMSC-EVs或许在某些治疗效果上可以与MSCs-EVs相媲美甚至超越。然而，在iMSCs的临床转化过程中，仍然存在一些待解决的关键问题。首先，重编程后的iPSCs的特性还需进一步研究，尽管它们的干性与胚胎干细胞类似，但具体差异尚不明确。
其次，iPSCs重编程技术带来的潜在致瘤性风险也是不可忽视的。随着iPSCs小分子重编程技术的发展，iPSCs的质量控制和潜在MSC来源得到了进一步的保障。理论上，iPSCs具备多系分化和自我更新的能力，使其在大规模生产和解决组织异质性方面具有巨大潜力。但iMSCs在应激条件下（如炎症或缺氧）是否能够保持其特性，仍需通过实验进一步验证。
References
[1] Wu, Z., Su, Y., Li, J. et al. Induced pluripotent stem cell-derived mesenchymal stem cells: whether they can become new stars of cell therapy. Stem Cell Res Ther 15, 367 (2024). https://doi.org/10.1186/s13287-024-03968-x
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