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展望 | 再生医学治疗炎症性肠病

肠上皮细胞覆盖胃肠道的整个表面,由此隔绝了机体的内侧和外侧。而且,肠上皮细胞发挥着必不可少的功能,例如营养吸收,黏膜屏障功能,激素分泌,或基础免疫系统调节,以维持机体的动态平衡。然而,由于各种胃肠道疾病(例如,炎症性疾病[IBD])引起的组织损伤,很大程度上会使这些功能丢失或者障碍。


恢复肠上皮结构和功能的重要性在IBD患者中已经确认,因此,“黏膜愈合”作为治疗的标准目标在临床医生和研究人员达成共识。然而,目前我们没有合适的治疗选择来治愈难治性胃肠道溃疡,这类溃疡或起源于IBD患者中。在本篇综述中,作者对肠道干细胞(ISC)生物学近期的进展进行概述,同时对IBD中以干细胞为基础治疗建立的进行展望。


胃肠道干细胞生物学演化

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肠上皮内长活细胞存在的证据早在20世纪70年代(图1)由Potten小组开展的一系列研究报告,其显示标记滞留细胞(LRCs)存在于肠隐窝+4位置。这样一种LRC是在隐窝底部略上方区域由一种特定的肠上皮细胞(IEC)持续DNA标记确定。这些LRCs被长期认为是ISCs最佳候选,尽管功能性研究认为证明的自我更新或多谱系效能尚不可用。此外,可以识别那些LRCs的分子标记仍然是未知的。新的研究证明DNA标记保留可以用作一种替代,但不能作为干细胞效能的明确标记。


第一个ISCs候选分子标记是由Potten等和Kayahara等报道,显示Msi-1是在小肠隐窝和结肠隐窝预测的干细胞区域最具体地表达。Msi-1是一种RNA-结合蛋白,也能在神经干细胞内特异性表达。令人惊讶地是,Msi-1免疫组化分析显示在小鼠肠隐窝下部(包括+4区域和隐窝基底柱状细胞)有表达特异性。然而,那些Msi-1阳性细胞是否能表现ISC功能的等效水平仍然不确定。


后来出现的一系列研究提供了一个很好的进步;这些研究使用体内“谱系追踪”,体外ISC培养进行。Barker等识别LGR5作为ISC特异性标记,同时通过基因追踪起源于那些细胞的细胞(谱系追踪)进一步证明LGR5+ve细胞具有一定的ISC功能。与LRCs比较,LGR+ve细胞主要存在于肠隐窝底部,在那个地方它们保持与邻近的潘氏细胞紧密联系。


此外,ISC体外培养系统已经建立,带来了对支持ISCs的干细胞生存微环境的深入理解。ISC的长期培养是由Ootani等第一次报道,其中他们应用一种ISC和间质细胞的2D格式共培养系统。与此相反,Sato等建立了一个LGR5+ve ISCs 3D培养系统,可以在没有间质细胞支持下全面维持。他们的系统需要细胞外基质嵌入孤立的隐窝中,在这个3D结构中维持ISCs称为“类器官”或“enteroids”。应用这样一种类器官培养技术,他们证明LGR+ve细胞在体外可以保留它们的干细胞特性,由邻近潘氏细胞提供的干细胞生态微环境支持。


以ISC为基础治疗IBD的建立


在ISCs识别和培养技术的进步下,Ryuichi Okamoto所在的实验室建立了离体培养ISCs,可以被用作胃肠道疾病再生医学中的细胞来源。Yui等利用完全确定的培养基和细胞外基础研发了一种独特的结肠ISCs培养方法。他们的培养系统以LGR5+ve ISC-富集方式维护类器官。他们对这些结肠类器官是否可移植到DSS-结肠炎模型受损的黏膜进行检查,发现它们有助于修复接受者肠上皮功能。最重要的是,类器官移植显著改善了DSS-结肠炎的临床指标,从而为应用干细胞移植治疗诸如IBD的疾病提供临床意义。进一步研究的表明,小肠类器官,以及胎儿肠细胞器也可以移植入体内的受损肠黏膜。


近年来,IBD治疗方式由于生物疗法(如抗-TNF治疗)的出现带来极大地改善。然而,难治性溃疡或难以治愈的上皮病变仍在存在于一定的患者人群中,在这些患者中难以达到“黏膜愈合”。黏膜愈合表示IBD患者肠上皮结构和功能恢复,同时预测长期缓解或手术低风险。因此,如果ISC-移植到IBD患者可能有修复难治性溃疡的潜力,从而改善哪些IBD患者的预后。

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基于上述背景,Okamoto等目前正在研发IBD患者的自体ISC-移植治疗(图2)。这个策略分为2个阶段:第一,从IBD患者内镜活检样本获取ISCs离体扩大,第二,那些离体培养的ISCs移植通过靶向的内镜交付。然而,这样一种疗法有几点必须经验证或确认。首先,IBD患者-来源的ISCs有效的离体扩增是否可行仍不确定,因而需要验证。第二,从临床安全性考虑,培养的类器官是否可扩大和维持,可移植的供体细胞需要进一步确认。举例来说,这些类器官的致瘤性或潜在病原体可能会扩大,所以应该仔细排除。此外,一种传送活的类器官到靶向病灶的高效内镜方法需要建立。最后,ISC-移植获益应该在IBD患者中通过开展一项前瞻性研究证实。还有就是,ISC-移植的应用与现有治疗联合的优化应该经仔细验证。


未来发展方向


除了ISCs,其它类型的细胞移植(例如,间质干细胞)也已经考虑作为IBD治疗的候选。因此,一个IBD患者通过一种细胞-移植治疗如何获得最佳获益可能是未来的一个方向。


此外,组织-工程技术的发展正在朝器官水平3D-结构重建发展,包括多种细胞类型。肠道也是由多个类型细胞组成的器官,例如上皮细胞,间质细胞,免疫细胞,内皮细胞,肌肉细胞或外周神经元。然而,近期报道表明体外不同类型细胞的混合培养可能最终重建复杂的3D结构,模仿体内器官。如果这些技术也能适用于肠道离体器官形成(图1),再生医学可能会进一步恢复克罗恩病患者狭窄肠区域或恢复短肠综合征患者的肠功能。


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