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脂肪组织来源的干细胞的研究进展

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脂肪组织来源的干细胞的研究进展脂肪组织来源的干细胞的研究进展 脂肪组织来源的干细胞的研究进展 国际生物医学工程杂志2007年6月第3O卷第3期IntJBiomedEng,June2007,Vo1.30,No.3 脂肪组织来源的干细胞的研究进展 阎继红齐念民 【摘要】来自中胚层的脂肪组织与骨髓组织一样含有大量能自我更新和多向系分化潜能的细胞群 称为脂肪干细胞.其取材方便,来源丰富,可在体外稳定增殖传代.并与骨髓间充质干细胞有相似的多向 分化表面标志CD105,STRO.1以及CD166受体.研究发现它具有多向系分化潜能,除可以分化为问充质 来源的...
脂肪组织来源的干细胞的研究进展
脂肪组织来源的干细胞的研究进展 脂肪组织来源的干细胞的研究进展 国际生物医学工程杂志2007年6月第3O卷第3期IntJBiomedEng,June2007,Vo1.30,No.3 脂肪组织来源的干细胞的研究进展 阎继红齐念民 【摘要】来自中胚层的脂肪组织与骨髓组织一样含有大量能自我更新和多向系分化潜能的细胞群 称为脂肪干细胞.其取材方便,来源丰富,可在体外稳定增殖传代.并与骨髓间充质干细胞有相似的多向 分化面标志CD105,STRO.1以及CD166受体.研究发现它具有多向系分化潜能,除可以分化为问充质 来源的脂肪,骨软骨,脂肪以及骨骼肌,心肌等细胞,也可诱导分化为来源于外胚层的神经细胞以及具有 功能性的血管内皮细胞,用以修复骨,软骨,心肌,骨骼肌,血管以及神经等组织.其具有造血支持作用以 及可被逆转录病毒,腺病毒以及慢病毒较高的转染效率等优点,可以作为基因转移良好的靶细胞.因而, 脂肪来源的干细胞其有望成为组织工程,细胞治疗以及基因转染良好的种子细胞. 【关键词】脂肪干细胞;多向分化潜能;种子细胞 中图分类号:R318;Q813文献标识码:A文章编号:1673-4181(2007)03-0172-04 Studydevelopmentofadiposetissue-derivedstemceHsYANJi—hong,Q[Nian—mitt.InstituteofBiotechnol- ogy,Sh~ghaiJiaoTongUniversity,Shanghai201101,China 【Abstract】Adiposetissueoriginatedfrommesoderm,likebonemarrow,contmnsapopulationofcellsth at hasextensiveself-renewalcapacityandtheabilitytodifferentiatealongmultiplelineages~er medadiposetissue- derivedstemcells,ADSCs).ThecellspossessingthisactivityCanbeobtainedinlargenumbersfromadiposetis— sue,andcouldstablyproliferatedanddifferentiatedinvitro.ThecellsurfacephenotypeofADSCsisquitesimilar toBMSCs.whichhavethreecommonmarkers(CD105,STRO一 1,andCD166).Theseareusedtoidentifycellswith muhilineagedifferentiationpotentialandareconsistentlyexpressedonADSCsandBMSCs.ADSCsCanbediffer— entiatenotonlyintosuchmesenchymallineagesasadipogenesis,chondrogenesis,osteogenesis,myogenesis,but alsointoneurogenesisoforig~nectodermtorestorefunctionalcapacityofdamagedbone,cartilage,muscle,cardio— va$cularandnervevivo.Inaddition,ADSCshavehighinfectedefficiencybyadenoviral,oncoretroviral,and lentiviralvectorsandhavetheabilitytosupporthematopoiesis.Thus,ADSCsappearstorepresentapotentialclin— ic~Uyusefulsourceofcellsforcellulartherapy,tissueengineeringandgenetransferapplications. 【Keywords】adiposetissue—derivedstemcells;celldifferentiation;seededcell 细胞在分化过程中往往由于高度分化而完全 失去了再分裂的能力,最终衰老死亡.机体为了弥 补这一不足,保留了一部分未分化的原始细胞,称 为干细胞.干细胞是具有自我更新能力且在适宜微 环境下具有多系分化潜能的原始细胞.近年研究发 现,机体内胚胎干细胞具有多分化潜能,其使用最 有吸引力,但是在细胞分化调节和伦理上有一定的 局限性,除胚胎干细胞外还存在具有自我更新和分 化能力的成体干细胞,其中间充质干细胞mes— enehymalstemcells,MSCs)是目前备受关注的一类具 有多向分化潜能的成体干细胞,MSCs可在体外分化 培养扩增,可分化为成骨细胞,成软骨细胞,脂肪细 胞,神经细胞以及肌肉细胞等多种组织细胞,其中骨 髓间充质干细胞(bonemesenehymalstemcells,BMSCs) 已被证实可以作为组织工程良好的种子细胞.然而 作者单位:201101上海交通大学生物技术研究所 传统的取骨髓方法会给患者带来一些痛苦,通常需 要全麻或锥管内麻醉,并且所收获的MSC细胞数量 少,少量的细胞必须经过体外扩增才能获得临床需 要的细胞数目.同时需要消耗时间,价格昂贵.因 此,科学家正在寻找一种理想的干细胞,其应具有 以下特点:易于获取,给患者带来的痛苦少,可以获 取足够的细胞数目以避免体外大量扩增培养.目 前,从脂肪组织中分离出一种具有多向分化潜能的 干细胞,被成为脂肪干细胞(adiposetissue-derived stemcells,ADSCs). 1脂肪干细胞的生物学特征 Zuk等[1J从人体抽吸的脂肪组织中分离培养出 成纤维样细胞克隆,能在体外稳定扩增,免疫荧光 和流式细胞仪分析发现,这些细胞大部分是中胚层 或间充质来源,混有少量内皮细胞,平滑肌细胞以 及周皮细胞等细胞,在一定条件下,可以向脂肪细 国际生物医学工程杂志2007年6月第3O卷第3期IntJBiomedEng,June2007,VoI., 胞,软骨细胞,肌肉细胞和成骨细胞分化. 脂肪干细胞来源丰富,可以从动物的体内脂肪 组织获得,在每克脂肪组织中可获得5000CFU—F 的脂肪干细胞,而在每毫升的骨髓中仅能获取100- 1000FU—F的骨髓间充质干细胞.脂肪干细胞的培 植过程也比其它干细胞快约一倍,因此只需要抽出 一 点脂肪干细胞,就能够很快培植出很多干细胞, 用来进行移植手术;另外,来自脂肪组织的干细胞, 在培养后也比其它来源的干细胞生长得均匀.利用 皮肤细胞,肌肉细胞来抽取干细胞,效果没有从脂 肪细胞抽取干细胞的试验结果理想.脂肪组织和骨 髓均由中胚层演化而来,脂肪干细胞和骨髓间充质 干细胞有相似的的表面标志,都具有多向分化标志 的CD105,STRO一1以及CD166受体刚.Zuk等[41以 及deUgarte等[51发现脂肪来源的MSCs和骨髓来源 的MSCs有两种不同的表型,ADSCs存在CD49d, 不存在CD106,而BMSCs情况正好相反. 2多向系分化潜能 脂肪干细胞是脂肪组织中的一种"半成品"细 胞,近年来的研究发现它具有多向分化潜能.除可 以分化为间充质来源的骨,软骨和脂肪等细胞,也 可诱导分化为肌肉细胞,外胚层的神经细胞以及具 有功能性的血管内皮细胞,用于修复骨骼,血管或 神经组织. 2.1脂肪细胞 将ADSCs放在脂肪诱导培养基中,可以表达脂 蛋白脂肪酶,aP2,PPAR(gamma)2和Glut4等脂肪细 胞相关基因.除了供体个体差异外,这些基因的表 达与BMSC所分化表达的脂肪基因是很相似的. 在动物体内向脂肪细胞分化也得到了证实,ADSCs 被种植到天然(胶原和透明质酸)或合成的支架 上[10,11】,在体内观察到形成了脂肪组织.在这些实验 里都是需要在植入前预先将ADSCs在体外分化为 脂肪细胞. 2.2成骨细胞 Ogawa等[21在从人脂肪组织分离培养出生长旺 盛的脂肪干细胞并经向成骨细胞诱导培养后,可以 表达成骨细胞相关的基因,如:碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,AlP),I型胶原(CollagenI,ColI),骨桥 蛋白(osteopontin,OP),骨连接素(osteoneetin,ON), 降钙素(osteoealein,oc)以及骨形态发生蛋白一2(bone morphogeneticprotein一2,BMP一2)等基因.并且长时间 单层培养或3一D培养成骨可以在体外形成骨矿化基 质[切.动物体内实验进一步证实,种植在支架上的 ADSC可以在免疫缺陷动物模型里形成成熟的骨组 H.一51 .这一发现也被应用到临床上,2004年,美国 科学家首次将脂肪干细胞注入实验鼠的颅骨,修复 其颅骨裂缝.3个月后,实验鼠颅骨裂缝的修复程度 达到了70%-90%.最近,德国吉森大学医院利用从 人体脂肪组织中提取的干细胞,结合骨移植方法,成 功地对一名女孩实施了颅骨缺损修复术.医生尝试 抽取女孩自身的脂肪干细胞,经过培养后植入颅骨 受损处.在干细胞与移植的骨片共同作用下,缺损处 长出了新骨司. 2.3软骨细胞 Eriekson等[刀将ADSCs接种到藻酸盐载体上, 并植入到裸鼠体内后,发现可以长时间(12周)表达 II胶原,IV胶原以及糖蛋白等软骨特殊分化的标 志.对于BMSCs和ADSCs那种细胞更适合于软骨 组织工程还存在争议.Winter等[81把骨髓以及脂肪 来源的MSCS同时用软骨诱导培养基培养,发现二 者都可以向软骨方向分化,在单层培养条件下,二 者软骨分化能力基本一致,但在三维培养条件下, BMSCs比ADSCs具备更强的软骨分化能力.而De Ugarte等[实验却得出相反的结论,认为ADSCs比 BMsc具备更强的软骨分化能力.在最近一次体内 实验表明ADSCs比其它间质干细胞在兔软骨缺损 部位,所形成的软骨组织更接近天然的关节软骨组 织[倒.余方圆等[2J从成年兔颈后部脂肪组织取材培 养脂肪干细胞,经软骨诱导培养基向软骨细胞方向 诱导培养后,免疫组化鉴定诱导后的细胞为软骨细 胞特性,表明脂肪干细胞作为软骨组织工程种子细 胞有一定的可行性. 2.4心肌细胞 心血管疾病目前的发病率和死亡率均很高,尽 管研究发现心肌组织中存在干细胞,但其数量太 少,以致对心肌再生基本没有作用,心肌细胞坏死 后均由瘢痕组织替代.因此,人们一直在探讨将其 它细胞分化为心肌细胞的可能性.研究发现将 ADSCs培养在含地塞米松,氢化可地松或5一氮杂胞 苷的培养液中,随时间的增加表达心肌相关的基 因,在早期阶段发现有MyoD1表达,2周后可表达 肌球蛋白重链[99,23].Planat—Bernard等取新鲜的 ADSCs放进半固体培养基中,三周后观察出现自发 性搏动的细胞,经分子生物学,药理学以及电生 理等检测表明具有心肌细胞的特征性标志,由此 证实,ADSCs可以向心肌细胞分化.有人将ADSCs 注入到猪梗塞后的左冠状动脉上,4周后观察猪的 左心室功能与对照组相比明显提高.在梗塞部位的 国际生物医学工程杂志2007年6月第30卷第3期 InlJBiomedEng,June2007,Vo1.30,No.3 供体ADSCs经组织染色证实可表达心肌细胞相关 基因.张端珍等[251取新西兰白兔ADSCs,体外进行 培养扩增后,将传代不同次数的ADSCs以不同的 5一氮杂胞苷浓度诱导,可有效转化为心肌细胞,结 果表明它可能是心肌细胞移植的良好细胞来源. 2.5骨骼肌细胞 Bacou等阑将ADSCs移植到兔受损伤的骨骼肌 后观察,肌肉重量和肌纤维以及肌肉的收缩力大大 增强.在移植部位的细胞鉴定表达具有骨骼肌的特 征标志,表明向骨骼方向分化.美国科学家最近也 成功地利用成年人的脂肪干细胞培育出了骨骼肌 细胞,这一成果再次证明,成年人体内的ADSCs具 有转化成其它多种类型细胞的潜力. 2.6神经细胞 Ashjian等[z71以及Zuk等[41用B一巯基已醇诱导人 ADSCs向神经方向分化,30min后即出现类神经元 样的细胞形态,3h后出现了神经元细胞表型,表达 nestin,NSE和NeuN等神经细胞早期标志性因子. ADSCs已经用于脑中风的实验中,Kang等p-Sl将LacZ 基因或BDNF转染ADSCs作为治疗因子注入到鼠 脑动脉梗塞90min的脑组织中,1.4d后发现这些细 胞部分在坏死部位共同表达微管相关蛋白2(micro— tubuleassociatedprotein,MAP2)和胶原纤维酸性蛋 白(glialfibrillaryacidicprotein,GFAP),表明ADSCs 可以在体内可向神经细胞分化. 2.7血管内皮细胞 日本大阪大学研究人员从实验鼠中提取干细 胞,注入到受损的血管周围成功生成新血管.首先 人为地将鼠腿部血管血流受阻,将大鼠分为实验组 和对照两组,实验组将从其体内脂肪中提取的干细 胞经培养后注入到受损血管周围,对照组什么也不 注入,4周后,与未注入干细胞组相比,注入干细胞 的实验鼠的腿部的血流量约增加15%,血管内皮细 胞为未注入干细胞组的1.5倍.曹莹等从成人脂 肪组织分离了脂肪来源的成体干细胞,在VEGF和 bFGF诱导下,能分化成有功能的内皮细胞,改善了 缺血状况,因此可以用于新生血管的细胞治疗. 3基因转移的靶细胞 ADSCs易于外源基因的表达,而且ADSCs所携 带的外源基因表达具有明显的组织特异性,因此 ADSCs有可能成为一种新型的基因治疗的靶细胞. Dragoo等【通过腺病毒将BMP一2转入BMSCs和 ADSCs,其转导效率分别达35%和55%,ADSCs所 表达的BMP2水平是BMSCs的三倍.Kang等[2Sl腺病 毒将BDNF转入ADSCs有效转染率达94%,这些转 染后的细胞植入缺血再灌注90min后的脑组织,导 人的基因在受体组织中的表达可维持30d.通过导 人目的基因,并与ADSCs的多向分化潜能相结合, 可将细胞治疗与基因治疗结合起来,必将为ADSCs 的临床应用开辟广阔的前景.' 4造血支持 体内外研究表明,BMSCs具有支持造血的作 用,共移植BMSCs可以促进HSC的植入,原因在于 BMSCs可以分泌造血生长因子,因此,对HSC的体 外扩增及体内促HSC的造血重建均有积极的作用. 脂肪来源的ADSCs支持造血作用的机制还不完全 清楚.Cousin等从小鼠脂肪分离出来的间充质干 细胞,注射给被致死量(10GY)照射的小鼠,受体小 鼠造血功能完全恢复,并能在小鼠体内检测到供体 细胞.从而说明,脂肪组织分离的脂肪干细胞可以 具有造血支持作用.但是否为ADSCs可以分化为造 血细胞,还是其中含有大量的造血干细胞,还需进 一 步的研究. 干细胞是目前医学研究的重要方向,研究人员 都在设法取得更多的干细胞,进行更多研究试验. 但人们不愿意提供体内的细胞用于实验,比起抽取 骨髓或骨膜细胞,脂肪细胞的抽取过程痛苦较轻. 患者对于损失脂肪细胞,一般较不介意,有人甚至 会去进行抽脂手术.因而,可以利用这些要摒弃的 脂肪细胞来抽取大量干细胞进行试验. 总之,脂肪来源比干细胞来源广泛,取材容易, 痛苦小,分化潜能大,且不涉及伦理道德问题,使之 成为干细胞研究领域的热点.从脂肪中提取干细胞 可以减轻患者的身体负担,但缺点是这种干细胞提 取之后容易变成脂肪,需要控制细胞分化的技术. 随着对ADSCs的特性及其定向分化机制的深入研 究,其有望成为组织工程以及细胞治疗良好的种子 细胞. 参考文献 1ZukPA,ZhuM,MizuaoH,eta1.Multilineagecellsfromhumanadi- posetissue:Implicationsforcell-basedtherapies[J].TissueEng,2001, 7:211-228. 2GronthosS,FranklinDM,LeddyHA,eta1.Surfaceproteincharac- terizafionofhumanadiposetissue-derivedstromaleell~[J].JCellPhys, 2001,189:54—63. 3PittengerMF,MackayAM,BeckSC,eta1.Muhilineagepotentialof adulthumanmesenehymalstemceils[J].Science,1999,284:143— 147, 4ZukPA,ZhuM,AshjianP,eta1.Humanadiposetissueisa8oureeof 国际生物医学工程杂志2007年6月第3O卷第3期 IntJBiomedEng,June2007,Vo1.3o,No.3 multipotentstemcells[J].MolBiolCell,2002,13:4279-4295. 5deUgarteDA,AlfonsoZ,ZukPA,eta1.Differentialexpressionof stemcellmoleculesonmulti—lineagecells fromadiposetissueandbonemarrow[J].ImmunolLetter,2003,89: 267-270. 6WickhamMQ,EricksonGR,GimbleJM,eta1.Multipotentstromal cellsderivedfromtheinfrapatellarfatpadoftheknee[J].ClinOr- tl1叩,2003,412:196—212. 7SenA,Lea—CurrieYR,SujkowskaD,eta1.Adipogenicpotentialof humanadiposederivedstromalcellsfrommultipledonorsisheteroge— neous[J].JCellBiochem,2001,81:312—319. 8PeisterA,MelladJA,Lars0nBL,eta1.Adultstemcellsfrombone malT~W(MSCs)isolatedfromdifferentstrainsofinbredmicevaryin surfaceepitopes,ratesofproliferation,anddifferentiationpotential[J]. 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