间充质干细胞是一类多组织来源的成体干细胞,具有自我更新及分化为组织特异性细胞的能力。“间充质干细胞”最初由Caplan于1991年正式命名并被广泛使用,之后因其是否为真正的干细胞引起广泛争论。国际细胞治疗协会(ISCT,2006年)及间充质干细胞的命名者Caplan(2010年)呼吁将其改为“间充质基质细胞或药用信号细胞”,缩写均为MSC。通常采用成纤维样贴壁生长形态、特异性表面抗原表达以及三系分化能力作为间充质干细胞最低鉴定标准。目前间充质干细胞在多项临床(前)研究中展现出潜在应用价值,精确命名和定义这群细胞相信对未来精准表征间充质干细胞并挖掘其更多生物学功能具有重要指导意义。
近年来,干细胞研究为临床难治性疾病带来了曙光。“干细胞”是一个统称,从发育学上可分为胚胎干细胞和成体干细胞;从分化潜能上可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。胚胎干细胞具有全能性,可以发育成身体全部的细胞类型;而成体干细胞仅具有有限的干细胞特性,只能分化成特定的细胞类型,间充质干细胞即属于成体干细胞。
目前,获得的间充质干细胞一般根据其不同来源,被赋予组织相关的命名。2021年,ISCT对不同组织来源间充质干细胞的缩写提出了建议,例如骨髓来源的间充质干细胞缩写为MSC(M),脂肪组织来源的间充质干细胞缩写为MSC(AT),脐带血来源的间充质干细胞缩写为MSC(CB),脐带(华通氏胶)来源的间充质干细胞缩写为MSC(WJ),牙髓来源的间充质干细胞缩写为MSC(DP)。但是间充质干细胞的干性和体内来源等基本问题仍未完全明确,根据其功能和特性,曾经称骨髓基质细胞、多能基质细胞、中胚层干细胞等,以下回顾了间充质干细胞的名称变化及起源含义。
术语“基质”是一个较旧的形态学术语,意思是物质或环境中形成的支持性结构或基础。早在20世纪70年代,Friedenstein及其同事发现了骨髓细胞的一类非造血的小亚群具有成骨潜力,这些亚群可快速黏附到组织培养容器中,具有成纤维细胞样形态,并通过体外分离、培养开启这类细胞的研究大门。由于最初认为其来源于骨髓基质,具有支持造血的功能,因此称之为骨髓基质细胞。
多能基质细胞是一类具体的细胞类型称呼,更多强调了细胞沿多个基质谱系分化的能力。这一名称限制了间充质干细胞的异质性,倾向于为一类祖细胞而不是干细胞。部分研究者认为不应完全否定间充质干细胞的异质性,其可能是干细胞和祖细胞等组成的混合细胞群体。因为在不同组织和器官中存在多种细胞类型并均具有多向分化能力,同时具有特定的表型和功能特征,因此该命名未能成为标准术语。
Caplan等对鸡胚胎骨髓间充质干细胞的研究发现,胚胎雏鸡四肢的中胚层细胞具有分化为肌肉或软骨的能力,提出间充质干细胞来源于中胚层,因此命名中胚层干细胞。
Caplan在1991年提出了间充质干细胞这一术语,指具有明显的自我更新和分化祖细胞功能的干细胞群,其主要依据如下:
(1)这些细胞的有丝分裂不受严格的代数限制,即这些细胞具有无限的增殖能力。
然而,在这之后,一些研究人员在发表间充质干细胞的临床前或临床研究时选择省略对干细胞特性的提及,未能证明该类成纤维样贴壁细胞长期自我更新和多向分化的干性特征。因此,“间充质干细胞”的原始命名仍然饱受争议。
根据ISCT 2006年发表的立场文件,认为间充质干细胞是具有自我更新能力(体外)和分化为间充质谱系潜力的多能祖细胞,使用“间充质基质细胞”这个术语来描述这类成纤维样贴壁细胞群体似乎是最科学准确的描述,因为目前缺乏令人信服的数据来支持未分选的成纤维样贴壁细胞干性。间充质干细胞应指能长期自我更新且在体内能分化为多种细胞类型的细胞。由于目前的研究认为这类细胞来源于间充质,根据细胞的起源保留间充质的命名,但不指其分化潜能。另外这类细胞是在驻留组织的支持基质中被发现,因此称之为基质细胞,而不涉及它们的生物学功能或治疗潜力。
然而,Caplan等的研究表明大多数间充质干细胞来源于血管周围(血管壁)的周细胞。通过细胞表面抗原及体外多能性研究发现从体内不同组织中分离的周细胞均会产生间充质干细胞,并具有免疫调节和营养功能,这严重挑战了间充质干细胞的“基质”起源说。
2010年,Caplan的研究表明间充质干细胞可汇集于炎症或组织损伤部位分泌大量的生物活性物质,这些物质既具有免疫调节作用,又具有营养作用,是功能强大的“药库”,可以作为调节或治疗多种人类疾病的药物,提出首字母缩写MSC代表“药用信号细胞”,以反映其治疗有效性主要来自生物活性分子分泌,而不是组织再生。
然而,“药用信号细胞”并没有被科学界广泛采纳。Siddaraju V Boregowda在“Mesenchymal Stem Cells: The Moniker Fits the Science” 中认为更名为药用信号细胞忽略了大量明确证明间充质干细胞干性的新旧数据,并且提出药物信号细胞的旁分泌功能应包含在间充质干细胞中,因为该类细胞也具有干/祖细胞(干性、血管生成)和骨骼形成特性。
综上,间充质干细胞具有自我更新能力,同时在体外可诱导分化成其他类型的细胞。因此从广义上可以称作“间充质干细胞”。然而根据目前的数据表明,间充质干细胞发挥作用并不是完全依靠其细胞干性,还不能指望其通过分化成组织或器官达到修复组织、治疗疾病的目的,更主要的是依靠其分泌生物活性物质影响机体微环境或刺激残留组织特异性干细胞发挥作用,因此,不少文献也常用“间充质基质细胞”或“药用信号细胞”。当然,无论使用哪种术语,间充质干细胞在再生医学和免疫调节方面的治疗潜力仍然是一个重要的研究领域,继续研究和深入挖掘这些细胞的特征属性和潜在用途对于推动再生医学领域的发展具有重要意义。
自间充质干细胞概念被提出后,许多实验室已经开发了分离和扩增间充质干细胞的方法,且不同组织来源的间充质干细胞也逐渐被人发现。这就需要对间充质干细胞的定义有一个明确标准,2006年ISCT给出了间充质干细胞的最基本定义,也就是间充质干细胞最低鉴定标准。
(1)间充质干细胞在标准培养条件下呈成纤维细胞样形态(纺锤形和梭形)贴壁生长,形态均一。
国际脂肪应用技术学会(IFATS)、先进治疗药物产品(ATMP)以及中国细胞生物学学会等标准均是在ISCT标准的基础上进行了相关补充,另外还可参考国际人用药品注册技术协调会(ICH)的指南以及美国FDA、欧洲药品管理局(EMA)、美国注射剂协会(PDA)、美国人体细胞组织操作(GTP)和国际制药工程学会(ISPE)的相关法规和指导文件。以下是对ISCT的间充质干细胞鉴定标准的解释说明及部分补充内容。
成纤维细胞样贴壁生长被认为是间充质干细胞最基本的特性,甚至被界定为间充质干细胞的不同亚群星空体育官方入口 星空体育官网都会保持该特性。虽然间充质干细胞可能未贴壁也能培养并扩增,但这些方案通常需要特定的培养条件,如果这些间充质干细胞的群体在更标准的条件下培养,则会依然表现出贴壁性。
表面Ag表达可用于细胞群体的快速鉴定,已被广泛应用于免疫学和血液学领域。间充质干细胞必须表达CD105(又称内皮糖蛋白,最初由MAb SH2识别)、CD73(最初由MAb SH3和SH4识别,被称为胞外5-核苷酸酶)和CD90。期待未来挖掘出更多间充质干细胞表面标记分子,逐步对现行间充质干细胞标准进一步优化。
此外, 为保证间充质干细胞异质性群体的研究不受其他细胞干扰,缺乏造血Ag的表达则作为间充质干细胞的额外标准,即间充质干细胞不表达这些Ag。为此,建立了一组Ag来排除间充质干细胞培养中最有可能存在的其他细胞,包括CD45(白细胞标志物)、CD34(标记原始造血祖细胞和内皮细胞)、CD14和CD11b(单核细胞和巨噬细胞显著表达,是间充质干细胞培养中最有可能发现的造血细胞)、CD79a和CD19(B细胞标志物,在培养过程中也可能与间充质干细胞黏附,并通过基质相互作用维持生存)、HLADR(在受到IFN-γ等刺激时,间充质干细胞上会表达)。两种巨噬细胞和B细胞标志物中仅有一种需要检测,但应选择其中更可靠的标志物。
间充质干细胞最独特的生物学特性是三系分化能力,在标准的体外组织分化培养条件下具有成骨、成脂和成软骨的分化潜能。通过茜素红染色或von Kossa染色可以证明向成骨细胞分化,脂肪细胞分化通过油红O染色显示,成软骨细胞分化通过阿利新蓝染色或Ⅱ型胶原免疫组织化学染色鉴定。
研究者尽可能多地测试他们认为重要的表面标记(包括阳性和阴性指标),特别是与他们自己的研究有关的表面标记。另外,最好使用多色分析(即双重染色、三重染色等)流式检测,证明单个细胞表达间充质干细胞标记同时缺乏造血Ag。
以上标准仅代表了间充质干细胞鉴定的最低要求,同时有其他指标辅助证明则更加准确,如骨髓来源的间充质干细胞需增加CD146、CD29、CD44作为标志物,而CD164作为骨骼来源间充质干细胞的额外标志物。在中国细胞生物学会发布的人间充质干细胞团体标准(2021年)增加了CD31作为阴性标志物。目前所提出的Ag表达不是识别间充质干细胞的唯一标准,表面表型结合其他功能标准,是目前识别间充质干细胞最好的方式。
间充质干细胞在IFN-γ存在的情况下表达HLA-DR表面分子,但在未受刺激状态下不表达。因此,如果细胞检测中发现了HLA-DR的表达,在某些应用领域也可能有效,细胞仍然可以被称为间充质干细胞,在满足其他标准的前提下,使用形容词如“受刺激的间充质干细胞”,或其他命名法来表示细胞不处于最低标准。
此外,间充质干细胞抗原表达水平(超过95%表达CD105、CD73、CD90;不超过2%表达造血Ag)应作为最低标准。某些实验或间充质干细胞产品生产可能需要更高的阳性指标水平。
间充质干细胞具有良好的体外扩增能力。研究人员进行间充质干细胞多次传代以验证不同传代批次核型是否正常来监测染色体异常的发生,包括潜在的转化事件。然而,核型分析并不推荐用于间充质干细胞常规鉴定。在人间充质干细胞中国团体标准(2021年)中规定其正常核型应为(46,XX)或(46,XY),并具有免疫调节作用且在免疫缺陷动物(如小鼠)体内成瘤试验结果为阴性。
间充质干细胞作为在细胞治疗领域受到广泛关注的细胞星空体育官方入口 星空体育官网类型之一,其治疗疾病的潜力已得到广泛认可,无伦理和致瘤等安全方面的担忧,且能够冻存,可方便、及时地应用于患者。间充质干细胞名称已被广泛使用了20多年,间充质基质细胞名称也提出了10多年,为了保持科学话语、电子文献数据库的连续性,称之为间充质干/基质细胞,简称MSC,可以促进生物医学研究人员之间知识的交流和传播,避免再次混淆。但是作为研究者必须明确,即便称谓为间充质干细胞,作为成体干细胞,其干细胞属性极其有限。在未来,间充质干细胞的命名和定义标准可以从以下几个角度进行发展:
标准化定义:目前,间充质干细胞的定义存在一定差异和争议。未来的发展可以致力于建立统一的、标准化的MSC定义,以确保更好地理解和描述这些细胞特征和功能。这将有助于研究者、临床医生和监管机构对间充质干细胞进行更准确地识别和分类。
功能特性的界定:除了干细胞特性,间充质干细胞还具有多种重要的功能特性,如免疫调节、抗炎和组织修复等。未来的发展可以更加详细地界定这些功能特性,并将其纳入间充质干细胞的定义中。这将有助于进一步揭示间充质干细胞的多样性和作用机制,以及更有针对性地应用于临床治疗。
标准化分离和纯化方法:间充质干细胞的分离和纯化方法对于研究和临床应用非常重要。然而,目前存在不同的分离和纯化方法,导致不同实验室和临床试验中所获得的间充质干细胞具有差异性。未来的发展可以致力于建立标准化的分离和纯化方法,并将其纳入间充质干细胞的定义标准中,以确保获得高质量和一致性的间充质干细胞。
综上所述,逐渐优化间充质干细胞命名和标准对于推动科学研究进展、促进临床应用具有重要意义。同时,监管机构可以基于统一的定义和分类来制定相关的法规和监管政策,这有助于确保间充质干细胞产品的质量和安全性,并规范临床应用的开展。此外,确保间充质干细胞的命名和标准的准确性和一致性可避免虚假宣传和乱象发生,增强公众对间充质干细胞治疗的信心。总之,逐渐优化完善间充质干细胞命名和标准将有助于加快间充质干细胞领域的发展和应用,确保间充质干细胞质量和治疗的安全性。
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