成体干细胞在泌尿系统疾病重建中的应用

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摘要：干细胞是目前生命科学研究的热点方向。干细胞具有自我更新及定向分化的潜在能力。近年来，干细胞移植治疗在治疗压力性尿失禁和膀胱损伤方面已成为研究重点，不同来源的干细胞在治疗膀胱损伤已取得瞩目的研究成果。干细胞对阴茎勃起神经和海绵体血管内皮细胞起着修复保护作用。干细胞具有向多种谱系细胞转化的能力来治疗压力性尿失禁。干细胞移植为泌尿系统的神经肌肉疾病的修复重建提供了一条新途径，使认为不可修复的的神经肌肉疾病的结构修复和组织重建成为可能。干细胞包括脂肪干细胞（adipose-derivedstemcells,ADSCs)、骨髓间充质干细胞（bonenarrowmesenchymalstem，BMSCs）和肌源性干细胞（muscle-derivedstemcell，MDSCs）等。组织工程学是一类交叉学科，主要包括综合细胞培养、材料构建和细胞种植等。组织工程技术为泌尿外科临床医师提供了一条修复乃至重建受损脏器的新思路。本文就利用干细胞作为种子细胞，对膀胱缺损、压力性尿失禁、勃起功能障碍泌尿系疾病的组织工程修复进行综述。

关键词：干细胞；组织工程技术；尿路重建；泌尿外科

前言

干细胞是低分化或未分化的细胞，其具有自我更新、高效增殖能力和多向分化潜能的细胞。根据干细胞分化过程，干细胞的分化阶段可以分为以下四类：1）、全能干细胞（受精卵），2）、多潜能干细胞（胚源性干细胞），3）、多能干细胞（成人干细胞），4）、单能干细胞（祖细胞）[1]。多能干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，是体内发现的一种未分化细胞.骨髓、肌组织、血管内皮、皮肤及脂肪等处可以通过一定方式获取多能干细胞，从而避免了获取胚胎干细胞时的伦理问题。因为多能干细胞不会转化为恶性表型，降低了植入体内后形成畸胎瘤的风险，多能干细胞引起了医学界的广泛关注[2]。在泌尿系修复与重建中用常常用到多能干细胞。干细胞包括脂肪干细胞（adipose-derivedstemcells,ADSCs)、骨髓间充质干细胞（bonenarrowmesenchymalstem，BMSCs）和肌源性干细胞（muscle-derivedstemcell，MDSCs）等。ADSCs是一种从脂肪组织基质中极易分离得到的成体干细胞，ADSCs具有增殖能力强、多向分化潜能并且不涉及免疫排斥的优势[3]。脂肪组织在人体内来源广泛，获取简便，ADSCs可以通过抽脂及传代培养从中获取，不仅具有稳定的体外多代增殖能力，而且在不同的诱导因子作用下，ADSCs可以向脂肪细胞、软骨细胞、肌细胞、成骨细胞、神经细胞、神经胶质细胞及胰岛细胞分化，并且可以分泌多种促血管生长因子、血管内皮生长因子，肝细胞生长因子及抗凋亡因子并且作为基因治疗的靶细胞具有抗炎抗氧化作用[4]。BMSCs是一种能够自我增殖，可自体移植和较强的横向分化潜能和可塑性的成纤维细胞，可以分化成内胚层细胞、中胚层细胞和外胚层细胞。例如在体内外可以分化为肌细胞，肝细胞，成骨细胞，软骨细胞，脂肪细胞和神经元细胞等多种细胞。许多研究室经研究发现BMSCs的亚群包括多能成体祖干细胞、骨髓来源成人多向诱导细胞和小胚胎样干细胞，这些亚群都具有BMSCs的异质性并且可能是那些可以分化为内外胚层细胞、已经确定好谱系的细胞来源[5]。MDSCs作为一种存在成体肌肉组织中具有良好的自我更新和增殖能力的自体成体干细胞，在细胞移植和基因治疗方面具有广阔的前景。骨骼肌中分离出两种细胞，一种是仅能分化成肌源性组织的骨骼肌卫星细胞；另一种是具有干细胞功能的MDSCs，存在于骨骼肌肌纤维外面，是一种分裂能力很强的肌细胞。与肌卫星细胞比，不仅能促进肌组织再生，还能分化成成骨骼肌纤维和包括肌肉、脂肪、骨、软骨等中胚层类型及包括神经样细胞在内的外胚层细胞。因在泌尿外科疾病中这三种细胞发挥着重大作用，在下文中将着重论述。

1膀胱的修复重建

膀胱肿瘤、慢性膀胱炎、膀胱结核或创伤等很多临床上常见的膀胱疾病都会导致膀胱功能障碍或结构缺损，临床上常常用肠道来替代膀胱进行修补作为常规的治疗方案。但由于肠道和膀胱在解剖结构和功能上的差别，所以术后效果往往不尽如人意，许多并发症如粘液性液体的产生、电解质紊乱、尿路结石形成、肿瘤复发也相继发生。干细胞治疗技术的出现及应用为膀胱解剖结构缺损及功能障碍的修复重建提供了基础。Zhu等[6]研究发现ADSCs可以用来修复重建膀胱组织，首先将培养好的ADSCs种植在膀胱无细胞基质移植物（bladderacellularmatrixgrafts，BAMGs)上，然后取24只雄性成年白兔，分别在膀胱表面切除1.5×1.5cm的缺损处，再将雄性成年白兔随机分成两组，实验组将种植ADSCs的BAMGs用5-0薇桥缝合于膀胱缺损处，对照组则将无ADSCs的BAMGs以相同方式缝合于膀胱缺损处。并于4、12、24周时每组分别定期处死四只白兔，用膀胱回流造影的方法检测，观察到实验组和对照组相比，实验组的膀胱形态更加接近正常膀胱形态，并且膀胱容量较术前和对照组均有提高，分别为3.31%和5.65%。在组织学上种植有ADSCs的BAMGs表现出同周边正常膀胱组织相同的光滑肌肉组织，ADSCs促进新生的血管形成和神经细胞增殖。同时实验结果表明通过体内外诱导的方式ADSCs能向膀胱平滑肌细胞（smoothmusclecell，SMC)分化，SMC可以表达平滑肌特异性的标志物并具备收缩和舒张的功能，可以用于修复重建膀胱基层缺损。LiuG等[7]将ADSCs植入膀胱周围神经缺损的小鼠模型中，经过组织学检查分析得出植入ADSCs的受损膀胱周围神经纤维数量，轴突直径和髓鞘厚度较模型组显著提高。研究表明脂肪干细胞可以促进膀胱周围神经损伤的修复重建。对于膀胱神经损伤的治疗有着重要性的帮助。提高膀胱贮存和排泄尿液的功能对于无论是患有先天性或者获得性膀胱缺损的患者来说膀胱组织再生是最理想并最可行的应用。而在组织再生中，一项重要的进展就是确定MD-SCs可以向组织特殊分化方向进行诱导[8]。在特定培养基中培养的MDSCs经过一段时间的诱导分化，通过免疫学分析可以得到平滑肌细胞表型、染色阳性的α平滑肌肌动蛋白和肌球蛋白等平滑肌细胞特征性标志[9]。Tian等[10]研究发现在一个聚乳酸纤维三维支架上可以将MDSCs分化培养为平滑肌细胞。Anumanthan等[11]报道了将14只大鼠膀胱间充质组织与小鼠股骨、胫骨来源的MDSCs复合后植入小鼠肾被膜下，12周后通过免疫组化染色可见小鼠MDSCs来源的尿路上皮细胞结构，进一步证明了在适当诱导环境下，MDSCs能够向内胚层起源的尿路上皮细胞分化诱导。

2尿失禁的干细胞治疗

尿失禁是由于神经功能障碍或膀胱括约肌损伤而丧失排尿自控能力，使尿液不自主地流出。女性最常见的尿失禁按照症状可分为压力性尿失禁、急迫性尿失禁及压力急迫混合性尿失禁。根据流行病学统计：女性人群中23%-45%有不同程度的尿失禁，7%左右有明显的尿失禁症状，其中约50%为压力性尿失禁。压力性尿失禁（stressurinaryincontinenceSUI）是指在体力活动或咳嗽打喷嚏等腹压增加时不自主的尿液漏，45岁到65岁的妇女10%～80%患有SUI。最新的证据表明"括约肌单元"异常是导致SUI最重要的因素，这种"括约肌单元"包括尿道外括约肌，平滑肌层，神经元，血管丛，粘膜下层和上皮细胞。尿道及括约肌单位的萎缩、结缔组织的变化、尿道周围的血液灌注和神经元质量的改变均促进SUI的发展[12]。最新实验研究表明[13]在尿失禁大鼠模型的膀胱外周注射ADSCs，可观察到ADSCs可促进平滑肌细胞分化及胶原蛋白含量的升高并可提高尿道排尿的功能。Wu等[14]研究发现将ADSCs移植入SUI模型大鼠尿道中，2周后对实验组及对照组进行尿动力学检测，干细胞移植组与对照组相比，大鼠的膀胱最大容量得到明显改善并恢复到正常大鼠最大膀胱容量，移植组大鼠的腹压漏尿点压升高、最大尿道闭合压和功能性尿道长度也得到显著升高。Jack等[15]实验结果表明用大鼠体内自身的脂肪组织分离培养出ADSCs，并将ADSCs移植入大鼠膀胱和尿道中，可以观察到ADSCs不仅仅可以存活并且还可以分化成平滑肌细胞[16]。给脂肪组织提取细胞注射荧光标记物，12周后将检测被荧光标记物标记脂肪干细胞注射到大鼠的膀胱和尿道中，一定时间后对实验组和对照组大鼠进行分析后发现ADSCs已混入到有活性的平滑肌细胞中。在另一项研究中，ADSCs以可降解生物微球形式注射到损伤的大鼠尿道周围，ADSCs可化为有功能的平滑肌并可维持近似正常的漏尿点压和逆行性尿道灌注压力。张[17]等实验表明在给患有2型糖尿病的SUI大鼠尾静脉和逼尿肌注射ADSCs，治疗后的SUI大鼠膀胱排泄功能明显改善，并且2型糖尿病SUI大鼠粘膜层凋亡细胞数目减少，粘膜下毛细血管网的完整性也得到明显提高，并且这两种治疗效果无明显统计学差异，因此静脉注射AD-SCs为临床上治疗SUI提供了可行性。Yamamoto等[18]报道了2例根治性前列腺切除术后SUI患者，经尿道周围注射ADSCs治疗，12周后取得了比较理想的治疗效果，表明自体ADSCs尿道周围注射治疗SUI是安全可行的。为了提高移植后干细胞的成活，一些研究将生长因子与干细胞共移植，尤其将稀释的生长因子与干细胞共移植，显著提高了干细胞成活率，提高控尿效果[19]。

3勃起功能障碍的干细胞治疗

勃起功能障碍是男性常见疾病，勃起功能障碍（erectiledysfunction，ED）是指男性持续性或反复发作性的难以达到和维持阴茎勃起，进而无法完成性交或满意性活动的病理现象。阴茎的勃起依赖于一系列正常的神经和血管性反应，包括正常的性心理反应，正常的内分泌、神经和血管功能等，其中任何一个环节的异常都有可能导致ED的发生。患者出现ED的直接原因是阴茎海绵体神经（CN）损伤所引起的勃起神经反射中断，并且在CN损伤后，阴茎海绵体组织中的平滑肌细胞和内皮细胞凋亡数目增加，海绵体平滑肌纤维数量减少从而加重了ED的发生[20]。GuitingLin等[21]将自体分离培养的ADSCs注射到受损的大鼠阴茎海绵体内，5周后经测量表明实验组较对照组海绵体的压力明显增加。实验证明ADSCs在特定的培养基诱导下，ADSCs在体外可以分化为神经元样细胞、平滑肌细胞和内皮细胞等。胰岛素样生长因子和胰岛素样生长因子受体（IGF/IGFR）通路参与血管内皮细胞的分化，有利于ADSCs促进神经性勃起功能障碍的恢复。Kim等[22]通过纯化、浓缩、基因转染将从雌性大鼠的骨骼肌内分离培养出MDSCs注入双侧阴茎海绵体神经损伤的大鼠阴茎海绵体内，经过4周的治疗与对照组相比，实验组的最高海绵体内压和神经标记蛋白基因产物9.5都有极大的提高。组织学研究发现移植后的MDSCs可与平滑肌细胞相互融合进而改善阴茎的勃起功能。邱雪峰等[23]实验发现向雄性大鼠腹腔内注射链脲佐菌素诱导制备成糖尿病性ED，并将分离培养的第三代骨髓间充质干细胞移植到糖尿病性ED大鼠左侧的阴茎海绵体内。糖尿病ED治疗组较未治疗组大鼠的ICP显著提高，阴茎海绵体组织结构也得到明显改善，勃起明显提高。Muammer等[24]研究发现给双侧阴茎海绵体神经损伤的大鼠阴茎内注射P75dMSCs，除了假组，实验组与其他组比较不仅仅表达出较高的海绵体内压力，而且p75dM-SCs分泌表达的碱性成纤维细胞生长因子经ELISA结果表明可保护促进损伤后的海绵体神经修复。Bivalacqua等[25]将用含有eNOS基因的腺病毒转染后的大鼠间充质干细胞注入大鼠阴茎海绵体内，发现rMSCs注入阴茎海绵体阴茎后至少可存活21天，并且无炎症反应。海绵体内注射eNOS基因修饰的rMSCs后大鼠勃起功能在第7天和第21天，都有明显改善，而未注入修饰的MSCs，第21天勃起功能才有明显提高。两者均伴有移植细胞内皮的平滑肌特异标记物免疫染色阳性。

4小结与展望

综上所述，在组织工程学的应用中，干细胞为临床患者带来了新的希望。干细胞对于泌尿外科疾病如膀胱损伤、压力性尿失禁、阴茎勃起功能障碍等常见疾病的修复重建有着极其重要的意义。干细胞通过其特殊的分化诱导成脂肪干细胞、骨髓间充质干细胞和肌源性干细胞来完成对神经的修复及组织的重建。多能干细胞作为种子细胞在治疗泌尿外科疾病已经进入临床阶段，多能干细胞在治疗泌尿系统疾病具有着巨大的应用前景，虽然仍然有一些问题亟待解决如干细胞应用时的伦理问题和转化时带来的致瘤性风险，但相信在不久的未来可以看到更多干细胞在泌尿外科领域中的应用。

作者:花永亮 单位:哈尔滨医科大学附属第一医院泌尿外科三科