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間葉幹細胞的免疫調節功能:其相關機制及臨床應用

2011/03/15

間葉幹細胞 (Mesenchymal stem cells, MSCs) 由骨髓、胚胎或其他成體組織中分離而來,能夠分化成源自胚胎時期中胚層的各種組織細胞,如脂肪細胞、成骨細胞及軟骨細胞,也因為它的多重分化能力,使得間葉幹細胞成為近年來熱門研究之一。間葉幹細胞不論在體內或體外,均具有免疫調節抑制之功能,因此被認為可應用於治療自體免疫相關之疾病。

何謂「間葉幹細胞」(Mesenchymal stem cells, MSCs}?

間葉幹細胞又稱為多能間質幹細胞,具有幹細胞多重分化之能力,於臨床治療應用上熱門之研究課題。間葉幹細胞一開始從骨髓分離而來,現在發現幾乎所有的結締組織都有間葉幹細胞之存在。間葉幹細胞可在體外增殖培養,且可以貼附在培養皿的底部,並長成纖維母細胞群落形成單位 (fibroblast colony forming-units),能夠分化成源自胚胎時期中胚層的各種組織細胞,如脂肪細胞、成骨細胞及軟骨細胞,進而形成脂肪、硬骨、及軟骨等。除此之外,與懸浮型的造血幹細胞不同,間葉幹細胞的細胞表面不具有CD11b、CD14、CD34、CD45及HLA-DR這些細胞表面標記,取而代之的是它會表現CD73、CD90及CD105。

間葉幹細胞免疫抑制作用之機制
間葉幹細胞需要經過活化才能發揮免疫抑制作用

當免疫細胞分泌一些促進發炎反應的細胞激素IFN、TNF、IL-1或IL-1時,間葉幹細胞受到這些細胞激素的活化,才會產生免疫抑制作用。在2008年,Polchert等科學家發現,在以間葉幹細胞治療移植物抗宿主疾病 (Graft versus host disease, GVHD) 的實驗中,若T細胞無法分泌細胞激素IFN(IFN-/-) 時,即使有間葉幹細胞處理,仍無法存活下來。此外,在缺少細胞激素IFN受體(IFNreceptor 1) 的小鼠,其間葉幹細胞也不具有免疫抑制作用的能力,更加說明了細胞激素IFN在間葉幹細胞免疫抑制作用中扮演著重要的角色。

間葉幹細胞免疫抑制作用之調控因子
吲哚胺2,3-雙加氧酶 (indoleamine 2,3-dioxygenase, IDO)

在間葉幹細胞與其作用之目標細胞交互作用的過程中,間葉幹細胞藉由釋放或誘導出一些調控因子來抑制目標細胞之免疫反應。吲哚胺2,3-雙加氧酶 (indoleamine 2,3-dioxygenase, IDO) 為這些調控因子之一,當受到IFN刺激時,IDO可將色胺酸轉變成 kynurenin,造成局部色胺酸缺乏及累積kynurenin,而抑制T細胞生長,達到免疫抑制作用。同時缺少IFN受體及IDO的人類間葉幹細胞,仍然具有免疫調節之活性,可能原因是人類的間葉幹細胞仍可以從其他路徑產生IDO,目前相關機制仍待科學家們繼續深入研究探討。不同於人類的間葉幹細胞,小鼠間葉幹細胞則常缺少IDO活性。

誘導型一氧化氮合成酶 (Inducible nitric-oxide synthase, iNOS)

iNOS只在細胞受到刺激而被激活後才發揮功效,其所產生之一氧化氮自由基可協助巨噬細胞在免疫系統中對抗病原體。此外,一氧化氮也可以抑制T細胞增生。當小鼠的間葉幹細胞受到IFN活化時,iNOS會被誘導產生,進而抑制T細胞之增生;而沒有iNOS的突變鼠 (iNOS-/-),其抑制T細胞增生之能力便會下降。然而,在人類間葉幹細胞中iNOS的mRNA表現量極少,其所產生的一氧化氮更是微乎其微,少到無法偵測到。事實上,人類與小鼠不同物種,其免疫抑制機制也有所不同,人類間葉幹細胞以IDO為主要輔助分子,小鼠間葉幹細胞則是以一氧化氮扮演重要之角色。

前列腺素E2 (Prostaglandin E2, PGE2)

PGE2是花生四烯酸 (Arachidonic acid) 代謝過程中的產物之一,它是一個效果很好的免疫抑制劑,可以抑制T細胞的生長、IL-2的產生,而且是誘導活化第二型輔助T細胞的輔助因子。受到活化的間葉幹細胞可產生PGE2而抑制T細胞增生,若加入抑制PGE2的抑制物則可以回復T淋巴細胞的增生。此外,間葉幹細胞所產生的PGE2可刺激巨噬細胞產生IL-10,並抑制單核細胞 (Monocyte) 分化變成樹突細胞 (Dendritic cells)。

IL-6

還有一個IL-6,也是間葉幹細胞分泌之因子,被視為與抑制單核細胞分化成樹突細胞有關,降低刺激活化T細胞之能力。另一方面,間葉幹細胞分泌的IL-6也被報導出可以延遲淋巴球細胞及嗜中性球細胞的細胞凋亡現象。

其他因子

其他還有由活化之間葉幹細胞產生之因子,如TGF1 (Transforming growth factor)、HGF (Hepatocyte growth factor)、HO-1 (Heme oxygenase 1)、LIF (Leukemia inhibitory factor)、HLA-G5,其中HLA-G5在最近的研究中顯示可抑制T細胞增生、自然殺手細胞及T細胞的細胞毒性,並且可以促進產生調節型T細胞 (TREG)。以上這些分子單獨存在時,是沒有辦法完全抑制T細胞增生的,顯示間葉幹細胞所產生的免疫調節作用,是由好幾種分子加成反應得出的結果。

間葉幹細胞對免疫細胞的抑制作用
T細胞

間葉幹細胞可抑制CD4及CD8細胞增生,自體的 (autologous) 或是異源的 (allogenic) 間葉幹細胞均可發現此抑制作用,表示這樣的抑制作用不會受限於不同的主要組織相容性複合體 (Major histocompatibility complex, MHC)。間葉幹細胞可改變其他T細胞功能,如降低IFN、IL-2及TNF的產生,增加IL-4的分泌等。間葉幹細胞不僅僅是抑制CD8毒殺型T細胞,還會抑制毒殺型T細胞的毒殺作用。在體外或體內實驗中,CD4+CD25+及CD8+ TREG會被間葉幹細胞促進產生。最近研究顯示間葉幹細胞可能會誘導細胞激素增加,造成抗發炎反應。事實上,間葉幹細胞是可以抑制具有特異抗原的T細胞增生及其毒殺作用,也可以促進抗發炎反應或調節型T細胞。

B細胞

許多研究指出間葉幹細胞可以抑制B細胞的增生,間葉幹細胞可以終止B細胞的分化,當抑制B細胞增生時,可增加B細胞的存活率,使B細胞停在G0及G1細胞時期。然而,另外有研究指出間葉幹細胞可以促進B細胞的增生及分化,使原本的B細胞變成可以產生抗體的B細胞,而這些分化後具有記憶的B細胞會大量增加。在不同研究中,由於不同的實驗方法及環境因素,可能造成完全不同的兩種結果,因此,間葉幹細胞對B細胞之影響,目前仍須更進一步之探討。

骨髓樹突細胞 (Myeloid dendritic cells)

骨髓樹突細胞為最重要的抗原表現細胞 (Antigen-presenting cells),樹突細胞需要共同活化分子的表現,並增加MHC第一型及第二型分子之表現,以及其他細胞表面標記,如CD11c、CD80、CD83、CD86。在體外實驗中,間葉幹細胞可抑制單核細胞及CD34+ 造血母細胞分化成樹突細胞,它可以減少MHC第二型分子及共同活化分子的表現,並且減少IL-12及TNF的產生,這個作用來自於活化之間葉幹細胞分泌的IL-6或PGE2,抑制樹突細胞成為抗原表現細胞。這些研究皆顯示出間葉幹細胞藉由調控樹突細胞成為抗原表現細胞之過程,使細胞走向抗發炎反應,並抑制T細胞反應。

自然殺手細胞 (Natural killer cells, NK cells)

自然殺手細胞表面具有第一型的HLA分子 (人類的MHC分子) 受體,當目標物沒有表現相對應的第一型HLA分子時,它會攻擊消滅目標物,此過程可以藉由活化或抑制第一型HLA分子受體而調控。有研究顯示間葉幹細胞可以抑制IL-2或IL-5誘導的NK細胞增生、IFN 產生及NK細胞毒殺作用,而此抑制作用會受到細胞與細胞間接觸及一些調控因子所影響,如TGF1、PGE2,顯示間葉幹細胞抑制NK細胞的機制可能牽涉不同之路徑。

嗜中性球 (Neutrophils)

嗜中性球在先天免疫中也扮演重要的角色,它可以產生自由基殺死入侵的微生物。間葉幹細胞可透過調控IL-6來延遲嗜中性球的細胞凋亡現象,而自由基也會減少。延遲嗜中性球的細胞凋亡現象被認為是保留體內嗜中性球存在一定的數量,當有感染發生時,嗜中性球才可以很快的攻擊入侵的病原。近來,科學家Nemeth的研究團隊認為,敗血症中的細菌細胞外膜 (LPS) 及TNF 可以促使間葉幹細胞大量分泌PGE2,並導致單核細胞及巨噬細胞產生大量的IL-10,這些釋放出來的IL-10會阻止嗜中性球移動產生自由基造成器官損傷。這些結果顯示間葉幹細胞可調控先天免疫,並避免敗血症的發生以增加存活率。在不同的研究中均顯示間葉幹細胞可以抑制免疫細胞的功能,特別是T淋巴細胞的增生、樹突細胞轉變成抗原表現細胞的過程、以及誘導抗發炎反應和調節型T細胞。此免疫抑制作用受到不同分子所調控,如IDO、PGE2、一氧化氮及HLA-G5等 (圖一)。最近研究顯示間葉幹細胞一方面可以抑制免疫細胞的增生,另一方面可以誘導系統性的反應,可能是產生抗發炎反應的第二型輔助T細胞 (Th2) 或是調節型T細胞。
圖一、間葉幹細胞與免疫細胞之間交互作用的示意圖。

間葉幹細胞之趨向性

為了將間葉幹細胞應用到臨床治療,科學家對於間葉幹細胞的移動及趨向性很有興趣。研究顯示間葉幹細胞會表現不同的細胞趨化素 (chemokine) 及其受體,並且會藉由發炎反應產生的細胞趨化素及細胞激素,而移動到發炎反應的地方。在不同的研究中,發現細胞表面有不同的受體表現,可能是由於培養條件及偵測條件不同造成之結果。進行間葉幹細胞趨向性的研究,比研究白血球趨向性較難,這是因為間葉幹細胞的細胞附著力及趨化素受體較少,且由於間葉幹細胞的大小較大,使其移動較不易觀察。根據現有的證據,可以確定的是,原本的間葉幹細胞會移動到發炎或是受傷的組織中,而由外加注入的間葉幹細胞也會存在骨髓或受傷組織中。事實上,雖然還不清楚間葉幹細胞移動的機制,目前的證據顯示,外加注入的間葉幹細胞是可以用在免疫抑制治療上的。

間葉幹細胞的臨床治療應用

間葉幹細胞可以應用治療許多免疫疾病,包含自體免疫疾病。事實上,不管在體內或體外的實驗都証明同種異體的間葉幹細胞不會產生免疫性排斥反應,可以適用於需要大量細胞需求的臨床上。如果將自體的間葉幹細胞分離純化並擴大,可治療應用在自體免疫性疾病或病變。在實際臨床應用上,226個患者在治療後,平均在10個多月當中,都沒有任何副作用產生,核磁共振掃描的結果,也沒有惡化的情形產生。雖然一些研究指出,人類間葉幹細胞會造成染色體的不穩定性,且不管在體內或體外,間葉幹細胞會呈現生長停滯的情形。因此為了提高間葉幹細胞在體內的存活率,必須還要進一步的研究。

移植 (Transplantation)

第一個體內實驗研究說明,狒狒於移植的異體皮膚上注射從骨髓分離的間質幹細胞,細胞可以存活7至11天。另外在小鼠同種異體心臟移植的模型裡,間質幹細胞會調節T細胞的擴張,壓抑Th1的細胞免疫,可以延後心臟免疫性排斥反應的產生。在造血幹細胞 (HSC) 的移植上,2000年的研究中也發表了自體的間質幹細胞可以重建骨髓化療後的基質修復,並提高造血幹細胞相容與結合,成功提高晚期乳癌患者的療效。另外,在最近的研究裡也發現,間質幹細胞與造血幹細胞共同植入14歲的兒童上,可以防止移植後異體排斥反應,並能持續造血,沒有任何不良反應,減少了移植失敗的風險。間質幹細胞的加入還可能幫助在有限的臍帶血幹細胞移植裡,以降低移植的失敗率。這種細胞療法可以預防移植物抗宿主病 (GVHD)。

移植物抗宿主病 (Graft versus host disease, GVHD)

造血幹細胞移植常會伴隨免疫排斥反應,100天之後發生稱為慢性GVHD,另外還有急性、持久型、反覆發作或遲發性急性GVHD。而異體間葉幹細胞觀察治療急性GVHD至今,最重要的效果是可以抑制免疫反應。第一個個案治療,於體外進行大量間葉幹細胞培養,輸入嚴重的第四級GVHD患者,發現患者腸道和肝臟產生了顯著的改善。人體試驗第二期研究報告說明,55例的病患有33例完全舒緩GVHD,9例患者有改善,這表明間葉幹細胞是一種有效的耐激素治療,可以治療急性GVHD。另一份報告指出,白血病患者在接受異體造血幹細胞和間葉幹細胞共同移植後,可以有效預防急性GVHD發生,且降低了患者的復發率。另外多位捐贈者臍帶血共同移植,已被證明可以克服低單位數量臍帶血幹細胞的不足,而為了優化此治療方法,GVHD的風險仍然需要減少。間葉幹細胞可以有效減少不同異臍帶血植入所造成急性GVHD發生率。結果表明間葉幹細胞控制GVHD和治療潛力。

自體免疫性疾病(Autoimmune diseases)

在治療自體免疫性疾病上,根據T細胞增殖與功能,間葉幹細胞也被提議作為一種治療選擇。因此,測試了各種動物糖尿病模型、實驗自體免疫性腦病脊髓炎、紅斑性狼瘡或類風濕關節炎。首先在膠原誘導的類風濕關節炎模型中,注射同種異體的間葉幹細胞株,並不能對疾病產生幫助;然而在相同的模式裡,改用注射個體分離的間葉幹細胞,証明減少血清內發炎性細胞因子,以防止嚴重的關節炎發生。使用人類脂肪來源的間質幹細胞,在膠原性關節炎模型中,可以有效降低Th1細胞免疫的擴張,且增強分泌抗發炎激素 (IL- 10),與免疫調節細胞 (TREG)的能力,切換宿主免疫反應趨向Th2,以抑制T細胞的自體免疫反應。在自體免疫性腦脊髓炎多發性硬化的小鼠模型實驗裡,注射間葉幹細胞會減少IL- 17和TNFα的含量,免疫抑制效應逆轉IL-2,促使T細胞不活化,以降低臨床症狀。在紅斑性狼瘡小鼠模型裡,間葉幹細胞移植治療可恢復免疫調節蛋白 (Foxp3)的細胞含量,以達到免疫平衡。由四個治療難治性的患者進行間葉幹細胞治療,顯示明顯改善腎功能,和長達12個月至18個月的疾病緩解。於化學誘導糖尿病的免疫不全小鼠施打人類間葉幹細胞後,β細胞分泌胰島素增加,也減少巨噬細胞浸潤,可防止胰腺損傷;另外間葉幹細胞可誘導胰島素分泌細胞再生,並抑制T細胞的免疫反應,以保護新生的β細胞。

結論

總體而言,目前的數據皆表明,間葉幹細胞治療各種免疫調節疾病都具有很好的潛力。但許多問題仍有待解決,為了提供更好的辦法來控制和優化免疫反應來造福患者,必需更了解間葉幹細胞其免疫抑制機制與運作,和人體安全問題。
 

文章翻譯自 Ghannam S, Bouffi C, Djouad F, Jorgensen C and Noël D. Immunosuppression by mesenchymal stem cells: mechanisms and clinical applications. Stem Cell Research & Therapy 2010, 1:2.

http://stemcellres.com/content/1/1/2
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