干细胞微囊化解决体内输送难题
时间：2017-06-29
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干细胞具有极强的自我更新能力和多向分化潜能，在疾病治疗中具有广阔的应用前景。但体内运输困难，供体不足，是其发展的阻碍。微胶囊不仅可以为细胞提供三维生长微环境，而且具有良好的免疫隔离性能和生物相容性。微囊化干细胞技术为干细胞大规模、高活性体外培养及长期保存提供了新的技术支持，为细胞移植疗法开辟了新途径。
干细胞具有极强的自我更新能力和多向分化潜能，在疾病治疗中具有广阔的应用前景。但体内运输困难，供体不足，是其发展的阻碍。微胶囊不仅可以为细胞提供三维生长微环境，而且具有良好的免疫隔离性能和生物相容性。微囊化干细胞技术为干细胞大规模、高活性体外培养及长期保存提供了新的技术支持，为细胞移植疗法开辟了新途径。
微囊化细胞发展
1964 年，加拿大学者Chang等首次提出人工细胞的概念，即将活细胞用具有良好生物相容性的半透膜包裹形成微胶囊。1980 年，Lim和Sun用海藻酸钠-多聚赖氨酸-海藻酸钠 (Alginate-polylysine-alginate，APA) 微囊包埋大鼠胰岛治疗实验性糖尿病，标志着微囊化细胞移植技术的确立。此后，各国学者对微囊化组织细胞移植技术进行了广泛研究，主要集中于胰岛、肾上腺髓质嗜铬细胞、肝细胞、甲状旁腺细胞、甲状腺细胞等 [5] 。近年来，被医学界称为“万用细胞”的干细胞，因其具有自我复制能力和极强的可塑性等特点，受到了广泛关注，并且干细胞的增殖和分化与其所处的微环境密切相关。因此，随着干细胞研究的升温，微囊化干细胞技术的研究也逐渐深入。2001年，Magyar等首次成功应用海藻酸盐微囊化小鼠胚胎干细胞大量扩增拟胚体。
根据微胶囊性质、囊壁形成的机制和成囊条件，微囊的制备方法可分为物理法、化学法、物理化学法。而微囊化干细胞的方法主要采用气流喷射法和高压静电法，气流喷射法是将细胞-海藻酸钠混悬液置于注射器中，在一定气压下，使其经适宜的针头流出时被同方向的气体吹落，滴入氯化钡或氯化钙溶液中反应形成凝胶，此法工艺较为简便，但制备的微囊粒径较大，表面光滑圆整度不高；高压静电法原理是使带负电的阴离子型聚合物与带正电的阳离子型聚合物通过静电相互作用形成微囊，制备出的微囊粒径较小，机械强度高且微囊表面光滑圆整，不易引起细胞增生和纤维母细胞聚积，多用于实验研究。
微囊的免疫隔离作用
包裹细胞的微囊膜具有选择通透性，该膜对各种免疫细胞、免疫球蛋白分子和补体蛋白具有良好的隔离作用。细胞微囊化可排除细胞移植中出现的宿主与移植物之间的双向排斥作用，从而使能分泌生物活性物质的细胞在移植后得以存活。
在同种移植中，微囊提供的物理隔离有效防止囊内细胞和宿主免疫细胞之间的直接接触，使移植物存活。张梅等对海藻酸钠/氯化钡微囊在大鼠同种异体胰岛移植中免疫隔离效应研究表明，微囊化胰岛移植组与游离胰岛移植组相比，糖尿病大鼠胰岛平均存活时间明显延长，在移植48~72 h后，糖尿病大鼠的降血糖功能有明显增强。异种移植时，微囊能防止抗体和补体片段的接触，延长移植物寿命。Vériter 等研究表明包埋猪胰岛微胶囊植入大鼠皮下无免疫和炎症反应发生，且胰岛在无免疫抑制剂的作用下能存活并维持其细胞功能达60 d。
微囊化成体干细胞
成体干细胞存在于各种组织的特定位置上，是一类成熟较慢但能自我维持增殖的未分化的细胞，成体干细胞是一种多能干细胞，可以分化转变为该器官内任何类型的细胞。与胚胎干细胞相比，成体干细胞具有来源丰富、取材简便、易分离纯化、且可自体移植、克服伦理道德问题等优点，但其增殖能力有限，可作为细胞移植疗法的备选材料。目前已成功微囊化的成体干细胞的种类繁多，包括间充质干细胞 (Mesenchymal stem cells，MSCs)、造血干细胞、牙髓质干细胞、神经干细胞等。Chan等报道采用胶原蛋白微囊包裹人MSCs，添加不同生长因子的诱导培养基在体外分别诱导微囊化人 MSCs 向成骨细胞、脂肪细胞、软骨细胞分化，免疫组化染色方法检测到微囊化的人 MSCs 能表达各种诱导分化细胞的标志性蛋白，植入小鼠体内微囊化人 MSCs 仍保持细胞活力。表明微囊化的 MSCs 仍具有多向分化潜能，可用于临床组织修复。
BMSCs在骨、软骨和肌腱损伤的修复方面研究较深入，如上所述植入微囊化 BMSCs 可促进成骨和软骨的形成，但在向肝细胞诱导分化的条件和机制的研究刚刚起步。Liu等把裸MSCs 细胞、微囊化 MSCs 植入被切除 90％肝脏的小鼠体内，14 d后发现小鼠存活率分别为 25％和 91％。不同于裸细胞，移植后的微囊化 MSCs 可以长期生长，且它们分泌的肝营养因子能进入肝脏促进肝再生，随培养时间增加，MSCs 会向肝实质细胞样细胞转化，表明微囊化MSCs的分化与其移植部位和生长环境相关。
微囊化基因工程干细胞
随着转基因技术的迅速发展，人们开始尝试以微囊作为转基因干细胞的免疫隔离和运载工具，利用基因重组干细胞产生的特定的代谢产物来调节机体生理功能，治疗相关疾病。Ding等报道 APA 微囊包裹转骨形态发生蛋白-2基因 (BMP-2)转染的MSCs细胞，结果表明微囊化转基因干细胞生长良好，能持续分泌 BMP-2蛋白并促进干细胞向成骨细胞分化，将转 BMP-2 基因的 MSCs 细胞移植入宿主体内，可用于治疗骨折和骨缺损等。Babister 等将转 Sox-9 基因的人间质祖细胞，用微囊包裹后移植入宿主体内，可以促进软骨结构的形成，预示其有用于治疗骨折和骨缺损等疾病的前景。
干细胞与微囊的有效结合，解决了干细胞治疗疾病过程中的客观难题，为更多疾病的治疗带去了便利。