干細胞由于其自我更新和多能分化能力，為修復和替換受損組織和器官提供了新的治療途徑。在本文中，我們對各種類(lèi)型干細胞的特征進(jìn)行了系統回顧，并深入了解它們在細胞和無(wú)細胞療法中的潛在應用。

此外，我們對干細胞治療的技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行了全面的總結，并詳細討論了當前的挑戰，包括安全問(wèn)題和分化控制。盡管仍然存在一些問(wèn)題，但干細胞療法在再生醫學(xué)領(lǐng)域展示了巨大的潛力，并為管理更廣泛的疾病和創(chuàng )傷提供了新穎的策略和方法。

加強再生醫學(xué)：干細胞療法的關(guān)鍵作用

介紹

器官損傷和退行性疾病是由于衰老或功能喪失導致的細胞死亡引起的，會(huì )嚴重影響人們的生活。此類(lèi)病癥的例子包括帕金森病、阿爾茨海默病、肝硬化和聽(tīng)力損失等退行性疾病，以及心肌梗塞和皮膚燒傷等損傷性疾病。肝臟等器官具有較高的再生能力，在某些情況下可以充分再生以維持功能穩定性。

小鼠肝臟已表現出強大的再生能力，可在部分肝切除術(shù)后支持肝功能。不幸的是，大多數組織和器官不具備這種再生能力，受傷后無(wú)法自我修復，最終導致功能喪失。一個(gè)例子是耳蝸中的毛細胞，一旦受損就無(wú)法再生，從而導致不可逆轉的聽(tīng)力損失。這些患者將需要人工耳蝸，即通過(guò)手術(shù)將包含電極陣列和接收器的電子設備植入患者的內耳，以直接刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)并恢復患者的部分聽(tīng)力。同樣，心臟瓣膜受損的患者需要更換由金屬或生物材料制成的人工瓣膜，以維持心臟功能（圖1） 。

人工器官替代很復雜，移植后患者可能會(huì )出現感染或免疫排斥。一些炎癥反應，例如感染性心內膜炎，可能是致命的。因此，需要一種免疫原性弱的治療方法，能夠有效修復患者受損的組織和器官，旨在最大限度地減少不良事件的發(fā)生。干細胞（SC）具有分化為多種細胞的巨大潛力，并且可以無(wú)限增殖。在移植到患者體內以替換退化或壞死細胞之前，可以在體外誘導SC分化為特定細胞或組織類(lèi)型。此外，干細胞可以分泌抗炎因子、細胞因子和外泌體來(lái)抑制炎癥反應，改善受損區域的微環(huán)境，最終調節細胞增殖和分化。該綜述全面概述了干細胞治療的機制研究和臨床應用，同時(shí)也指出了該領(lǐng)域的相關(guān)問(wèn)題。

干細胞的分類(lèi)

SC是具有多向分化潛力的細胞，同時(shí)保留自我復制和更新的能力?？筛鶕浞只芰Φ某潭冗M(jìn)行分類(lèi)（表1）。

全能干細胞（TSC）是一種干細胞，具有分化為生物體內任何細胞類(lèi)型的卓越能力，包括胚胎發(fā)育所需的胎盤(pán)細胞。TSC存在于胚胎發(fā)育的最早階段，通常是在受精后的受精卵階段，此時(shí)精子細胞使卵細胞受精。此時(shí)，受精卵形成，具有發(fā)育成完整生物體的潛力。

TSC通常具有許多獨特的分子特征，包括較低的DNA甲基化和內源性逆轉錄病毒成分（ERV）的激活。TSC狀態(tài)可以通過(guò)多種方法誘導。GSK抑制劑1-azakenpaullone、視黃酸類(lèi)似物TTNPB和激酶阻斷劑WS6的混合物可以誘導小鼠胚胎干細胞（ESC）在受精卵和二細胞階段表現出與TSC相似的表型。此外，異染色質(zhì)重塑也被證明有助于建立同種異型特異性的H3K4me3結構域，從而有效促進(jìn)ESC從多能性向同種異型的轉變。TSC分化為整個(gè)生物體的獨特能力引起了發(fā)育生物學(xué)和再生醫學(xué)研究的極大興趣。盡管如此，仍然存在與其使用和研究相關(guān)的特定倫理問(wèn)題。

多能干細胞 (PSC) 以其在所有三個(gè)胚層（外胚層、內胚層和中胚層）分化成各種特殊細胞類(lèi)型的卓越能力而聞名。具體而言，PSC表現出分化為外胚層衍生物的顯著(zhù)能力。它們產(chǎn)生神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細胞、神經(jīng)嵴細胞和源自外胚層的其他細胞類(lèi)型的能力證明了這一點(diǎn)。它們通常源自囊胚階段的ESC，或通過(guò)使用四種轉錄因子對成體細胞進(jìn)行重編程而獲得誘導多能干細胞 (iPSC)：Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc。

iPSC最顯著(zhù)的優(yōu)勢在于它們源自分化的體細胞，提供了SC的優(yōu)勢，同時(shí)顯著(zhù)避免了與TSC和ESC相關(guān)的倫理問(wèn)題。培養中的 iPSC 具有無(wú)限的自我更新能力，可以產(chǎn)生幾乎無(wú)限量的特化細胞，為人類(lèi)早期發(fā)育、疾病建模和再生療法的研究提供了巨大的潛力。

詳情信息請點(diǎn)擊（全能干細胞與多能干細胞的區別）

成體干細胞 (ASC) 被歸類(lèi)為多能干細胞，與多能干細胞相比，其分化能力更受限制。這些細胞存在于全身的各種組織和器官中，在特定微環(huán)境中發(fā)揮維持、修復和再生組織的作用。與多能干細胞不同，多能干細胞具有從多個(gè)胚層分化成多種細胞類(lèi)型的更廣泛潛力，而ASC的分化范圍受到更多限制。它們通常產(chǎn)生特定于其組織或起源器官的細胞類(lèi)型，并且比多能干細胞更加特化。因此，ASC只能產(chǎn)生與其起源的確切組織相對應的特定細胞譜系，這不同于其多能干細胞對應物所表現出的更廣泛的分化潛力。

最常見(jiàn)的ASC包括造血干細胞（HSC；負責在骨髓中產(chǎn)生血細胞）、間充質(zhì)干細胞（MSC；在各種組織中分化為脂肪、軟骨和骨細胞） ）和神經(jīng)干細胞（NSC；分化為神經(jīng)系統的神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)細胞）。ASC的特點(diǎn)是在成體組織中相對豐富、通過(guò)分泌特定信號分子調節微環(huán)境的能力以及易于分離。因此，它們對于組織器官修復和癌癥治療具有重要價(jià)值。

單能干細胞（USC）是干細胞中的一個(gè)特殊亞群，其分化潛力明顯受限。與能夠產(chǎn)生多種細胞類(lèi)型的多能或多能干細胞相反，USC僅致力于產(chǎn)生單一特定細胞類(lèi)型。這些細胞主要存在于特定的組織或器官中，在維持、修復和恢復它們所居住的特定組織方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的功能。USC常見(jiàn)于成人組織中，能夠持續補充消耗的特定細胞群，在組織維護和修復中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。USC的例子包括皮膚中的基底細胞和骨骼肌中的衛星細胞。USCs在疾病治療方面的潛力因其單一的分化模式而受到限制。

干細胞治療的技術(shù)路線(xiàn)

要使用干細胞進(jìn)行治療，首先必須考慮干細胞的來(lái)源?？紤]到它們的分化能力和倫理問(wèn)題，目前最廣泛用于治療的SC是PSC和ASC。ESC通常源自囊胚的內細胞團。iPSC的產(chǎn)生如上所述，ASC來(lái)源于多種成體組織，包括脂肪組織、骨髓、神經(jīng)組織、血液、骨骼肌等，這提供了方便的細胞來(lái)源。

為了維持SCs的多代自我更新能力和分化能力，需要專(zhuān)門(mén)的培養系統來(lái)支持。培養基中不同的生物材料會(huì )影響SC的分化潛力和擴增能力。含有寡肽接枝水凝膠的培養基已被證明可以增強人類(lèi)ESC和iPSC的增殖和多能性。使用含有人血漿和人胚胎提取物的培養系統可最大限度地提高傳代次數，同時(shí)保持iPSC的自我更新和分化潛力。此外，與2D培養相比，3D培養系統可以更好地模擬干細胞體內的微環(huán)境，增強不同干細胞物種的干性。例如，3D細胞培養物和天然腦組織提取物的結合可以加速SC分化為神經(jīng)元表型。

對于干細胞治療來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的步驟是通過(guò)調節培養條件和信號分子來(lái)引導SC向靶細胞類(lèi)型分化。這可以通過(guò)模仿胚胎發(fā)育過(guò)程中的信號通路和微環(huán)境來(lái)實(shí)現。研究表明，內耳發(fā)育與成纖維細胞生長(cháng)因子（FGF）信號傳導密切相關(guān)。刺激人類(lèi)ESC中的這條通路可以誘導兩種類(lèi)型的耳祖細胞分別分化為內耳毛發(fā)樣細胞和聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)元。Wnt信號的輕度激活可促進(jìn)MSC分化為軟骨形成細胞。

在納米材料復合材料表面培養細胞也會(huì )影響細胞的粘附和生長(cháng)特性，從而通過(guò)細胞骨架結構的變化觸發(fā)力轉導誘導的基因表達變化。通過(guò)這種方式，小鼠腎源性SC被誘導分化為足細胞或近端腎小管細胞。

通過(guò)上述方法的組合和優(yōu)化，可以實(shí)現SC的定向分化。在確保分化過(guò)程的有效性和穩定性后，需要進(jìn)行細胞鑒定和功能驗證，包括細胞表型分析、基因表達分析和功能評估，以確認分化后的細胞類(lèi)型符合預期，從而確保所得細胞具有所需的屬性和功能。

最后，經(jīng)過(guò)分化和驗證的SC通過(guò)不同的載體和支架移植到患者體內。在此階段，增強干細胞在組織中的保留對于治療效果至關(guān)重要。最常用的方式是將SC的鹽水懸浮液直接注射到目標器官或組織中。

綜上所述，完整的干細胞治療流程包括三個(gè)重要方面：干細胞的產(chǎn)生和擴增、靶向分化和應用，以及針對不同臨床領(lǐng)域需要選擇最佳技術(shù)路線(xiàn)以實(shí)現受損組織器官的再生和功能恢復（圖2）。

干細胞療法的應用

用于器官和組織再生的細胞療法包括一系列旨在通過(guò)將外源細胞引入體內來(lái)修復或再生受損組織或器官的方法。除其他方法外，干細胞療法構成了該領(lǐng)域的一個(gè)重要方面，利用特定細胞群的再生潛力來(lái)恢復從退行性疾病到損傷等各種情況下的組織功能。

器官和組織再生的細胞療法

基于細胞的療法通過(guò)多種機制發(fā)揮作用，包括細胞分化、生長(cháng)因子和細胞因子等生物活性分子的分泌、免疫反應的調節以及組織修復和重塑的促進(jìn)。退行性和損傷性疾病，包括循環(huán)系統、內分泌和神經(jīng)系統疾病，有可能通過(guò) SC 療法得到恢復。

第一個(gè)臨床應用是在血液學(xué)領(lǐng)域，涉及從血液系統移植造血干細胞（HSC）。HSC移植現已成為血液惡性腫瘤和遺傳性血細胞疾病的護理標準。通過(guò)分析人類(lèi)白細胞抗原 (HLA) 區域內的基因，找到最佳HLA匹配的供體和受體，可以最大程度地減少移植物抗宿主病 (GVHD)。為了避免供體匹配的限制和潛在的免疫并發(fā)癥，對患者自身HSC進(jìn)行基因校正或基因編輯極大地提高了血液疾病移植治療的效率。

Wiskott-Aldrich綜合征 (WAS) 的特征是巨血小板減少癥、濕疹、自身免疫和淋巴惡性腫瘤，是由WAS基因突變形式的表達引起的。通過(guò)慢病毒轉染正確的基因，然后將修飾的HSC輸注到患者體內，患者自身的HSC中的這種突變已得到糾正，患者的免疫功能和臨床癥狀均得到改善。

在鐮狀細胞病中，通過(guò)γ-逆轉錄病毒和慢病毒載體或直接靶向將球蛋白基因（γ-球蛋白、γ/β-球蛋白雜交體和抗鐮刀β-球蛋白）引入HSC，可逆轉血紅蛋白異常。胎兒γ-珠蛋白抑制基因BCL11A。

干細胞療法在治療耳聾方面也顯示出巨大的潛力。ESC與胰島素樣生長(cháng)因子-1（IGF）、表皮生長(cháng)因子（EGF）和bFGF聯(lián)合治療可以誘導ESC表達內耳祖細胞標記物，包括ATOH1。Oshima等人將ESC/iPSC與來(lái)自胚胎雞卵囊的基質(zhì)細胞共培養。鑒定出一類(lèi)具有短微絨毛的毛束細胞，其電生理特性類(lèi)似于未成熟的毛細胞。該方法進(jìn)一步完成了SCs向毛細胞的逐步分化。用SC治療遺傳性聽(tīng)力損失還需要基因編輯的幫助。在患有MYO7A突變的耳聾患者中，需要對iPSC進(jìn)行CRISPR/Cas9基因校正，以恢復分化的毛細胞樣細胞的正常形態(tài)和功能。

基于細胞的干細胞療法也逐漸完善，用于治療心臟和皮膚疾病。心肌細胞是完全分化的細胞，再生能力有限，決定了損傷后心臟功能不可逆的喪失。ESC和iPSC的心肌細胞的再分化有望進(jìn)一步改善受損心臟組織的功能。隨著(zhù)基因編輯的加入，SCs已被用于改善心臟疾病的治療，包括引入Akt1來(lái)增強心臟祖細胞的增殖，以及修飾SDF-1/CXCR4促進(jìn)心臟SC募集的基因。在皮膚傷口愈合方面，SCs治療主要是減少愈合時(shí)間、傷口攣縮和疤痕形成的風(fēng)險。

綜上所述，基于細胞的干細胞療法通過(guò)用正常干細胞分化產(chǎn)生的細胞直接替代受損組織來(lái)恢復組織功能，或者通過(guò)基因編輯糾正異常干細胞，從而恢復正常組織和器官功能。雖然展示了促進(jìn)組織再生和逆轉特定病理狀況的潛力，但仍然存在一些挑戰，包括免疫排斥問(wèn)題、倫理考慮以及移植后不受管制的細胞行為相關(guān)的風(fēng)險。

無(wú)細胞旁分泌療法

越來(lái)越多的證據表明，除了直接細胞替代療法外，干細胞，特別是間充質(zhì)干細胞，還分泌蛋白質(zhì)、生長(cháng)因子、細胞因子和趨化因子，對周?chē)毎蛭h(huán)境產(chǎn)生影響，以支持組織再生。這些分泌產(chǎn)物統稱(chēng)為SC分泌組，能夠通過(guò)影響不同細胞類(lèi)型（包括組織特異性細胞、免疫細胞、血管內皮細胞和細胞外基質(zhì)中的成纖維細胞）的信號傳導途徑來(lái)調節受損組織的微環(huán)境。

由于其免疫調節特性，間充質(zhì)干細胞歸巢并遷移至損傷部位后，會(huì )產(chǎn)生不同的調節因子來(lái)調節微環(huán)境中的免疫反應。用于癌癥治療的免疫檢查點(diǎn)抑制劑，例如抗PD-1/PD-L1，也可誘發(fā)自身免疫1型糖尿病，而 MSC衍生的外泌體可顯著(zhù)預防抗PD-1/PD-L1誘發(fā)的小鼠糖尿病。

SC還可以分泌促進(jìn)微環(huán)境中血管生成的因子，同時(shí)它們自身分化成合適的細胞類(lèi)型來(lái)替代受損細胞。胎兒皮膚就是這種情況，其中SC分泌組通過(guò)增強與胎兒皮膚再生和血管生成相關(guān)的靶基因（包括VEGF、Ang-1、Ang-2和PLGF ）的轉錄活性來(lái)促進(jìn)HUVEC細胞增殖和血管生成。

綜上所述，SCs的旁分泌分泌物可以調節淋巴引流，促進(jìn)血管生成，保證營(yíng)養供應，同時(shí)補充受損細胞。

除了正常微環(huán)境外，SCs還可以調節腫瘤微環(huán)境（TME）。源自MSC的富含MicroRNA-100 的外泌體可以通過(guò)mTOR/HIF-1α信號傳導抑制乳腺癌細胞中 VEGF 的表達，最終抑制TME中的血管生成。

總之，基于干細胞的無(wú)細胞療法顯示出巨大的前景，它們能夠調節組織微環(huán)境，從而比干細胞重新分化以補充受損細胞的細胞療法治療更多樣的疾病。與細胞療法相比，無(wú)細胞旁分泌療法具有多種優(yōu)勢，包括降低免疫排斥風(fēng)險、簡(jiǎn)化儲存和給藥過(guò)程以及潛在更少的安全問(wèn)題（表2）。

當前的挑戰

在基于SC的療法快速發(fā)展的當前階段，重要的是不要忽視它們帶來(lái)的一些問(wèn)題。

首先要考慮的問(wèn)題是SC的來(lái)源，因為存在倫理和法律方面的考慮。ESC的使用受到倫理爭論和法律限制，而成人SC的獲取和放大在技術(shù)上很棘手，并且存在質(zhì)量控制問(wèn)題。長(cháng)時(shí)間連續培養引起的另一個(gè)問(wèn)題是細胞活力喪失，導致增殖和分化能力降低。解決這個(gè)問(wèn)題需要使用新材料，例如二氧化硅納米粒子，以干燥狀態(tài)長(cháng)期保存干細胞。

其次，SCs分化的效率和方向是一個(gè)主要問(wèn)題，因為這決定了治療的有效性。定向分化是一個(gè)我們尚未完全理解的復雜過(guò)程，細胞培養條件、細胞因子和信號通路等許多因素都會(huì )影響該過(guò)程。因此，仍需要更多的研究來(lái)更好地控制SC的分化方向和質(zhì)量，以預防腫瘤發(fā)生等不良事件。

干細胞治療的另一個(gè)關(guān)鍵決定因素是靶向細胞遷移的能力。在發(fā)揮其分化作用之前，干細胞必須有效地輸送到預定部位。目前，大多數干細胞治療方法采用靜脈內藥物輸送，其在促進(jìn)從血液循環(huán)到組織的靶向遷移方面效果有限。移植的干細胞的存活是干細胞治療面臨的另一個(gè)主要問(wèn)題。SC療法的特點(diǎn)是MHC和HLA表達低，有可能降低免疫原性并顯著(zhù)增強對移植物抗宿主反應的抑制。然而，由于與SC治療相關(guān)的預擴張技術(shù)的局限性，其免疫特權逐漸受到損害。

輸注到人體后，體內炎癥因子的存在進(jìn)一步增強了干細胞的免疫原性，從而增加了排斥的風(fēng)險。移植后的細胞存活和生長(cháng)受到宿主免疫系統的影響，因為宿主對同種異體細胞的免疫反應直接導致移植排斥。解決同種異體排斥的一種可能的解決方案是通過(guò)基因編輯敲除免疫相關(guān)基因，生成免疫相容的SC。需要進(jìn)一步的研究來(lái)解決這些和其他挑戰，以成功地將干細胞療法轉化為臨床。

總結和觀(guān)點(diǎn)

自Ernst Haeckel于1868年首次發(fā)現干細胞以來(lái)，這些細胞的發(fā)育經(jīng)歷了幾個(gè)關(guān)鍵階段。最初，干細胞是從各種組織中分離和鑒定的，隨后iPSCs的開(kāi)發(fā)以及基因編輯與SCs的結合，導致干細胞治療的逐步完善。由于干細胞的多向分化能力，其最直接的應用是基于細胞的治療。這種方法涉及將SC（同種異體和轉基因自體SC）注射到疾病或損傷部位，以促進(jìn)組織再生和功能恢復。

然而，干細胞療法也面臨許多安全問(wèn)題。同種異體干細胞會(huì )觸發(fā)患者的免疫系統，導致移植物排斥，而移植的SCs過(guò)度增殖和分化可能導致腫瘤形成。因此，確保干細胞治療的安全性是一項重大挑戰。在干細胞治療中，確保干細胞能夠定向分化為靶細胞類(lèi)型并保持其功能和穩定性也至關(guān)重要。需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)的分化技術(shù)來(lái)確保分化的細胞具有所需的特性。

總之，作為再生醫學(xué)中重要的治療工具，干細胞療法在細胞本身及其分泌成分中以多種方式發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。隨著(zhù)對干細胞特性和功能的深入了解，預計更多的疾病和損傷將能夠從干細胞治療中受益。

參考資料：Wang J, Deng G, Wang S, Li S, Song P, Lin K, Xu X and He Z (2024) Enhancing regenerative medicine: the crucial role of stem cell therapy. Front. Neurosci. 18:1269577. doi: 10.3389/fnins.2024.1269577

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