都君彥 楊 超 麻 莉

女性生殖系統(tǒng)的完整性和功能的正常對于女性健康及繁衍至關(guān)重要。環(huán)境(輻射、毒物、污染等)、疾病(腫瘤、炎癥、創(chuàng)傷等)及治療方法(手術(shù)、放療、化療等)等因素可導致生殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受損或功能障礙,嚴重影響女性的生殖健康,甚至喪失生育能力。干細胞與生物材料作為再生醫(yī)學與組織工程領(lǐng)域的研究熱點,為女性生殖系統(tǒng)疾病的臨床治療開拓了新的思路。間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)是成體干細胞的一種,主要存在于骨髓、臍帶、脂肪等組織中,其來源豐富、在體外容易分離獲得并易于擴增,免疫原性低,不存在倫理爭議等問題,是再生醫(yī)學的理想種子細胞[1～3]。MSCs可通過多種機制修復受損組織,改善生殖器官功能,恢復生育能力[4,5]。水凝膠作為一種新興的功能高分子生物材料,通過模擬天然細胞外基質(zhì)作為結(jié)構(gòu)模板,為細胞黏附、遷移、增殖分化以及生長維持提供三維環(huán)境,同時也可以作為細胞載體,為移植的細胞更好地發(fā)揮治療作用提供保障[6]。本文將水凝膠負載MSCs在幾種常見女性生殖系統(tǒng)疾病應(yīng)用中的研究進展做一綜述。

一、水凝膠的種類

水凝膠是由凝膠單體通過化學或物理交聯(lián)的方式形成的具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水性聚合物。水凝膠具有類軟組織結(jié)構(gòu)、含水量高、生物可降解性及生物相容性等特性,被廣泛用作細胞、生長因子等的傳遞載體。

根據(jù)材料來源不同,水凝膠分為天然高分子水凝膠和合成水凝膠。

1.天然高分子水凝膠:天然高分子水凝膠主要由瓊脂糖、殼聚糖、膠原蛋白、明膠、透明質(zhì)酸、纖維蛋白等聚合物制得,具有生物組織相容性良好、可降解,易于細胞黏附和遷移,以及制備成本低等優(yōu)勢[7,8]。這些聚合物已被證實可提供適宜的微環(huán)境,用于制備生物支架,在體內(nèi)發(fā)揮重要的生物學功能。但由天然高分子材料制備的水凝膠也存在結(jié)構(gòu)性能難以控制、機械強度相對較弱、潛在的免疫原性、外源性成分干擾細胞行為等缺點,因此其應(yīng)用也受到了不同程度的限制[9]。

2.合成水凝膠:合成水凝膠主要由聚乙二醇、聚氧乙烯及聚丙烯酰胺等合成,制備過程中可以通過改變合成條件,如聚合物濃度、對嵌段結(jié)構(gòu)、機械強度,以及生物降解性等進行調(diào)整使其適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境[10]。此外,合成水凝膠可以大批量生產(chǎn),已成為制備支架材料的重要選擇[11]。但此類水凝膠存在可能使用有害的交聯(lián)劑、缺乏適當?shù)目山到庑浴⒔到猱a(chǎn)物對機體造成不良影響等問題,還需要進一步研究來解決。

二、水凝膠負載MSCs在女性生殖系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀

MSCs具有自我更新和高度增殖潛能,以及免疫調(diào)節(jié)、旁分泌等特性,可歸巢至組織損傷部位,向多種組織細胞分化,近年來被廣泛應(yīng)用于組織修復和再生領(lǐng)域。水凝膠作為理想的細胞輸送載體,通過模擬細胞微環(huán)境改善干細胞的治療效果。水凝膠可作為生物活性支架、促進干細胞的體外培養(yǎng)和分化、為移植的干細胞提供微環(huán)境,進而提高MSCs對女性生殖系統(tǒng)損傷的修復效果。

1.在子宮內(nèi)膜損傷中的應(yīng)用:子宮內(nèi)膜是子宮腔表面的上皮層,通過分泌細胞因子和生長因子為胚胎植入提供最佳環(huán)境,在胚胎植入和妊娠維持中發(fā)揮著重要作用。炎癥和機械損傷常導致子宮內(nèi)膜再生中斷、纖維瘢痕形成、纖維化,宮腔粘連(intrauterine adhesion, IUA),從而發(fā)生月經(jīng)減少,盆腔疼痛,甚至不孕和妊娠異常。因此,子宮內(nèi)膜的修復和再生對于子宮發(fā)揮正常功能至關(guān)重要。 近年來,細胞療法成為子宮內(nèi)膜修復和再生的優(yōu)先選擇。Yang等[12]利用水凝膠負載骨髓基質(zhì)細胞(bone marrow stromal cells, BMSCs)同時添加維生素C應(yīng)用于IUA機械損傷模型大鼠,結(jié)果顯示,維生素C聯(lián)合BMSCs促進了受損子宮內(nèi)膜腺體的再生、纖維化區(qū)域的減少。Liu等[13]利用透明質(zhì)酸凝膠/MSC-Sec治療模式創(chuàng)造了一個持續(xù)釋放系統(tǒng),修復IUA模型大鼠的子宮內(nèi)膜,恢復其生育力。負載人臍帶MSCs的膠原支架(collagen scaffold/ umbilical cord mesenchymal stem cells, CS/UC-MSCs),維持了正常的腔內(nèi)結(jié)構(gòu),通過旁分泌作用促進子宮內(nèi)膜細胞增殖和上皮細胞恢復,增強了雌激素受體α和孕酮受體的表達。結(jié)果表明,CS/UC-MSCs促進子宮內(nèi)膜結(jié)構(gòu)重建和功能恢復。經(jīng)宮頸粘連切除術(shù)后局部應(yīng)用CS/UC-MSCs可防止粘連再次發(fā)生,促進子宮內(nèi)膜再生,改善重度IUA患者的妊娠結(jié)局[14]。Ji等[15]利用3D打印技術(shù)將人誘導多能干細胞衍生的MSCs(human induced pluripotent stem cell derived mesenchymal stem cells,hiMSCs)與水凝膠支架結(jié)合后用于子宮內(nèi)膜損傷模型的修復,結(jié)果顯示,3D打印的水凝膠支架為hiMSCs提供了一個體外生存環(huán)境,不僅促進了子宮內(nèi)膜組織形態(tài)學的恢復,子宮內(nèi)膜細胞和內(nèi)皮細胞的再生,還在一定程度上恢復了受損子宮內(nèi)膜胚胎著床和妊娠維持的功能。

2.在卵巢早衰中的應(yīng)用:卵巢早衰(premature ovarian failure, POF)是目前造成女性患者不孕的重要因素之一,其主要特點是卵巢激素分泌功能失調(diào)、閉經(jīng),以及不能正常排卵。目前常規(guī)的臨床治療手段難以恢復卵巢的正常功能。

針對年輕女性生殖系統(tǒng)惡性腫瘤患者的化療和放療會對卵巢結(jié)構(gòu)和功能造成不良影響,甚至導致不孕等問題,近年來卵巢組織自體移植被認為是維持存活患者生育能力最有前途的方法[16]。然而,移植卵巢組織的缺血-再灌注損傷是卵巢移植的主要限制之一,由于卵巢組織移植后未能及時建立有效血運從而導致缺血缺氧,隨后發(fā)生細胞凋亡和炎性反應(yīng),最終導致移植卵巢卵泡數(shù)量明顯減少。因此,如何促進移植后有效血運的建立以及盡可能保留多的原始卵泡是卵巢移植成功的關(guān)鍵。對此科學家進行了多種嘗試。Tavana等[17]利用透明質(zhì)酸水凝膠封裝小鼠卵巢組織進行自體移植,結(jié)果表明,透明質(zhì)酸水凝膠用于卵巢移植可預(yù)防或減少缺血誘導的卵泡損失,并促進血管生成和激素水平恢復。Gao等[18]利用纖維蛋白水凝膠封裝小鼠卵巢組織進行皮下異位移植,同時添加了成纖維細胞生長因子和血管內(nèi)皮生長因子,結(jié)果表明,該方法對卵泡的生存、血管生成和發(fā)情周期的恢復均產(chǎn)生了有益影響。Mehdinia等[19]對比了纖維蛋白-膠原水凝膠負載兩種不同來源MSCs(小鼠骨髓和腹膜來源)對小鼠自體卵巢移植的影響,結(jié)果表明,兩者均能促進移植后小鼠發(fā)情周期和內(nèi)分泌功能的恢復,效果并無明顯差異。對于無法進行自體卵巢移植的患者,研究者利用海藻酸鹽水凝膠作為人工卵巢的基質(zhì),促進其封裝的卵泡的發(fā)育和成熟,作為該患者未來生育力恢復的可供選擇[20]。

負載人臍帶MSCs的膠原支架(CS/UC-MSCs)移植于POF小鼠,結(jié)果顯示,CS/UC-MSCs移植促進顆粒細胞增殖,促進卵巢血管生成,促進雌激素(E2)和抗苗勒氏管激素水平增加、卵巢體積增大,卵泡發(fā)育明顯改善,竇卵泡數(shù)量增加,保持了卵巢功能。這提示CS/UC-MSCs移植有可能成為一種治療POF的新型有效策略[21]。此外,CS/UC-MSCs可以通過磷酸化FOXO3a和FOXO1在體外激活原始卵泡。POF患者在移植CS/UC-MSCs或UC-MSCs后獲得了成功的臨床妊娠[22]。

3.在盆腔臟器脫垂中的應(yīng)用:盆腔器官脫垂(pelvic organ prolapse, POP)是指由于年齡、懷孕、生產(chǎn)等因素造成子宮、腸管、膀胱等脫出于陰道內(nèi)或陰道口外,造成行走不便,或尿失禁、排尿延遲、排便困難,以及性交障礙等。目前,針對POP的治療主要是使用網(wǎng)片加固盆底的支持力,而非修復盆底受損缺失的組織。然而網(wǎng)片的植入會導致移植物侵蝕、暴露和感染、陰道攣縮、異物反應(yīng)、炎癥、尿潴留、尿失禁等并發(fā)癥,嚴重影響患者的生活質(zhì)量。水凝膠在治療中因其創(chuàng)傷小、感染輕、恢復快等優(yōu)點,在盆底功能障礙性疾病的治療中具有廣泛前景[23]。有研究發(fā)現(xiàn),人子宮內(nèi)膜MSCs與明膠包被的聚酰胺網(wǎng)片在大鼠皮膚創(chuàng)傷模型中發(fā)揮了抗炎反應(yīng)、促進膠原的形成和重構(gòu)以及新生組織形成,為POP的治療提供了可能性。MSCs可促進新的膠原蛋白合成,分化為平滑肌細胞,促進膠原蛋白的表達,修復受損的組織結(jié)構(gòu)。有研究顯示,經(jīng)陰道插入未包被的針織聚酰胺網(wǎng)片,并應(yīng)用明膠水凝膠負載自體MSCs到網(wǎng)片上,然后用藍光交聯(lián),集成良好,很少折疊,且沒有網(wǎng)片暴露,可促進脫垂陰道組織的強度恢復。通過細胞膜熒光探針(1,1-dioctadecyl-3,3,3,3-tetramethylindotricarbocyaineiodide, DIR)染色可見 MSCs散在分布于陰道壁的固有層及肌層。此外,有研究發(fā)現(xiàn)釋放雌二醇的聚乳酸網(wǎng)狀物可促進脂肪來源MSCs產(chǎn)生更多的Ⅰ型膠原、Ⅲ型膠原及細胞外基質(zhì),用于修復女性盆底組織結(jié)構(gòu),并促進修復材料植入后的愈合。

三、水凝膠負載MSCs治療生殖系統(tǒng)疾病的優(yōu)勢

水凝膠負載MSCs治療在生殖系統(tǒng)疾病中取得了良好的效果,其優(yōu)勢主要有以下幾個方面:(1)水凝膠具有高彈性、高透氣性、無毒以及良好力學性能的優(yōu)勢,可作為理想的MSCs輸送載體,負載MSCs到達受損組織,高效到達靶器官。(2)水凝膠為MSCs提供三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持,有利于MSCs的遷移、增殖和分化。(3)水凝膠可緩慢釋放MSCs分泌的多種生物活性因子,維持MSCs的活性及生物功能。(4)水凝膠負載間充質(zhì)干細胞移植顯著提高了MSCs的促血管生成能力。(5)外源性MSCs與內(nèi)源性干細胞相互作用,聯(lián)合修復受損組織功能。

四、展 望

盡管水凝膠和MSCs相結(jié)合在女性生殖系統(tǒng)的修復中取得了令人振奮的結(jié)果,但仍有以下問題亟待解決:(1)干細胞治療的安全性問題:MSCs可以促進受損組織的修復,但目前仍面臨移植過程中細胞的損失,移植后的低保留率和存活率、MSCs干性的維持和分化的調(diào)節(jié),以及遠期治療效果的不確定性等。目前仍然沒有明確傳遞途徑、輸注方法,以及用于產(chǎn)生功能的細胞數(shù)量的指南。(2)水凝膠相關(guān)問題:水凝膠作為一種外源性物質(zhì),引入體內(nèi)可能會引起異物反應(yīng),并對機體有一定毒性。有研究表明,水凝膠表面由于異物反應(yīng)引起的纖維過度生長影響MSCs與周圍微環(huán)境之間的氧、營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物的交換。水凝膠的性能還有待于進一步提升,研發(fā)新的聚合方法,使水凝膠的性能更加穩(wěn)定,更好地應(yīng)用于細胞的培養(yǎng)和移植。同時不斷優(yōu)化水凝膠的機械性能和生物相容性,使其促進細胞達到更好的治療效果。此外,將兩種或多種類型的水凝膠交聯(lián)后使用可進行優(yōu)勢互補,能更好地應(yīng)用于細胞移植。因此,生產(chǎn)安全穩(wěn)定、低異物反應(yīng)性和高生物相容性的環(huán)保型水凝膠至關(guān)重要。

綜上所述,在未來組織工程的研究中,仍需不斷優(yōu)化生物支架材料和干細胞的治療,實現(xiàn)其在體內(nèi)的可監(jiān)測性及可控性。同時,對于靶組織器官的結(jié)構(gòu)、功能、損傷方式、損傷機制及損傷后分子水平的改變也有待于進行深入研究,以利于實現(xiàn)精準化和個性化治療。