骨骼肌卫星细胞在组织工程与运动损伤修复中的应用

邓启烈 莫伟彬

(广西师范大学体育学院，广西 桂林 541004)

从骨骼肌的发生上看，骨骼肌纤维是一种终末分化的细胞类型，由胚胎的生肌节和各处的间充质细胞分化而成〔1〕。而成熟的骨骼肌细胞属于一种有丝分裂后细胞，不能进行有丝分裂。在成年动物骨骼肌纤维与基膜之间，有一种体积较小的扁平或立方形细胞，排列在肌纤维表面，称为肌卫星细胞(MSC)。MSC是具有增殖和自我更新能力的成肌前体细胞或单能成肌干细胞,自被发现以来,这种组织特异的祖细胞在组织工程、基因治疗、运动医学等领域展示了良好的应用前景。本文围绕MSC在组织工程与运动创伤修复中的应用作一综述。

1 概述

1.1MSC来源 目前有两种假说，一是体节来源假说，二是非体节来源假说〔2〕，目前认为MSC起源于胚胎血管祖细胞。此外，还有研究表明将骨髓干细胞衍生的成肌细胞注入静脉,发现其也参与骨骼肌的再生，其研究证明骨髓干细胞衍生的成肌细胞产生的功能与MSC功能特征相似〔3，4〕。卫星细胞是处于骨骼肌基膜和基底膜之间，能够增殖分化潜能的肌源性干细胞，是出生后能够使骨骼肌生长、修复和维持的单能成肌干细胞〔1〕。当肌纤维在体育运动中受到损伤或负重牵拉刺激时，卫星细胞就被激活，进而增生、分化，融合成新的骨骼肌纤维，以修复运动受损时的骨骼肌。

1.2MSC的激活与分化潜能 MSC在一般情况下，只能在电子显微镜下才能清楚地看到。在静息状态时卫星细胞的细胞器处于较低的状态，细胞核也较相邻的肌管细胞较小，其异染色质的量比较高。当卫星细胞受到刺激被激活后,其细胞将出现肿胀，细胞一极或其两极形成细胞质延伸和突起，其形态能够在安静时的小圆形产生激活、形成增殖后的梭形细胞,并具有异染色质量下降、有丝分裂活动增加、质核比率上升和细胞内细胞器数量也随之增加〔5〕。而骨骼肌肌肉组织中的成肌细胞则是以MSC的形式而存在。关于MSC激活信号通路目前已有研究证实了在肝细胞生长因子(HGF)和一氧化氮(NO)中起关键作用〔6〕。其研究的结果主要是通过细胞培养技术、机械牵拉卫星细胞或骨骼肌，HGF快速从其储存的部位细胞外基质释放并且与卫星细胞表面受体HGF受体(c-met)结合，从而能够激活卫星细胞〔7，8〕。此后的研究还发现，HGF的释放依赖卫星细胞或肌纤维上的神经元型NO合酶(NOS)生成的NO，NO通过上调基质金属蛋白酶(MMPs)活性介导了HGF释放〔9〕。最近的研究还证实，运动训练导致的骨骼肌质量和肌细胞核的增加同时伴随着卫星细胞数目和激活状态的上升〔10，11〕。由于MSC属于组织干细胞，具有较强的增殖分化能力，其正常的分化过程为：首先分化为成肌细胞；然后成肌细胞逐渐平行排列，互相融合在一起，逐步形成细胞核在中央，而肌丝则在周边的肌管；随着分化潜能的深入，肌丝在不断生长的同时渐渐形成肌原纤维，细胞核则逐渐向周边靠，从而形成肌纤维。在体外培养条件下，则可以通过降低培养基中动物血清的含量来实现〔12，13〕。MSC的激活与分化潜能对肌肉损伤的修复、延迟或逆转衰老极都具有重要作用。因此，需要对如何增多卫星细胞的数量还有待深入研究，还要探索何种策略能有效地激活和分化卫星细胞的潜能。

2 MSC的应用

2.1MSC在组织工程中的应用

2.1.1MSC对失神经骨骼肌萎缩的应用 肌卫星细胞作为肌组织工程的种子细胞来修复骨骼肌萎缩肌肉，以恢复肌肉动力的功能具有实用价值和广阔的前景。目前对肌卫星细胞的体外培养及增殖较广泛，但将肌卫星细胞移植到体内的成肌效应的实验研究较少。Carlson等〔14〕通过采用骨骼肌移植的方法，将骨骼肌再生和神经再支配两者结合在一起，使长时间失神经支配的骨骼肌在神经修复后的疗效有所提高。Murry等〔15〕研究表明，用培养的肌卫星细胞移植修复发生梗死的心肌细胞的治疗取得较好的成效。Irintcher等〔16〕等研究表明，用培养好的肌卫星细胞移植入到冻伤的骨骼肌中，对改善肌肉功能起到很大的作用。Rodrigues等〔17〕对失神经支配骨骼肌中肌卫星细胞数量变化研究后认为，长期失神经支配导致的肌卫星细胞库的耗竭，产生不可逆肌萎缩。Carlson等〔14〕再进一步研究表明，成年MSC异体移植对维持失神经骨骼肌的湿重、肌纤维横截面积及肌张力能明显起到延缓骨骼肌的萎缩进程。因此，肌卫星细胞移植到失神经骨骼肌内进行深入研究，能为临床上神经再生后肌肉运动功能的恢复提供有效的途径。

2.1.2MSC对遗传性肌病的基因的应用 MSC移植较早用于杜兴肌营养不良症(DMD)的遗传性肌病的基因治疗〔4〕,其DMD患者主要是由于肌细胞缺少编码dystrophin膜下蛋白的基因,致使其细胞膜不稳定,最终导致骨骼肌肌纤维坏死,患者最终死于呼吸衰竭。Moritz等〔18〕通过对MDX小鼠身体上进行了大量的肌卫星细胞移植治疗MDX的动物实验,结果发现,将正常肌卫星细胞移植到肌营养不良症小鼠的骨骼肌肉组织后,能与肌纤维融合,形成杂交肌纤维。并且对dystrophin进行特异性免疫组织化学染色发现，正常肌卫星细胞能与 MDX小鼠的肌纤维融合并表达其基因产物 dystrophin。Law等将肌卫星细胞移植应用于临床治疗DMD病人时发现，肌卫星细胞移植疗效受到免疫排斥反应，肌卫星细胞一旦融入肌纤维中，其Ⅰ类主要组织相容性复合体(MHC-Ⅰ)抗原就不表达。Jam等〔19〕对肌卫星细胞进一步纯化发现，纯化所培养的MSC可以减少宿主免疫系统对移植细胞的攻击。因此,对MHC-Ⅰ阴性肌卫星细胞移植进行深入的研究，是治疗遗传性肌病的有效途径。

2.2MSC在运动创伤修复中的应用 关于MSC在运动训练中的研究并不多，但MSC在运动训练中受到某种刺激而被激活，并使之增殖甚至向成肌细胞分化已经在诸多的人体实验和动物模型中得到证实。MSC对运动产生的肌纤维损伤,对局部性坏死骨骼肌进行修复、再生，这种修复反应一般是在离心运动肌肉拉长收缩后因肌纤维易受损伤而更容易观察到〔20，21〕。Kadi等〔22，23〕对多年训练的优秀举重运动员斜方肌卫星细胞进行了研究发现，其斜方肌卫星细胞较对照人群高出70%，而服用合成类固醇对增加MSC的数目是有限的。Floss等〔24〕研究发现，在运动训练中骨骼肌受到损伤后，主要是NO和HGF大量释放,而HGF受到NO活化作用下与卫星细胞膜上的HGF受体c-Met结合,从而使细胞增殖的信号传导通路被激活，致使卫星细胞与周围组织的黏附状态受到改变，使受伤的骨骼肌得到修复。Conboy等〔25，26〕研究发现，骨骼肌受到牵拉或运动刺激损伤后,Notch配体的表达随MSC的活化而表达量有所上升，Notch配体与静息的卫星细胞表面Notch 受体结合,使卫星细胞成肌转录因子被激活,使卫星细胞增殖分化，有利于骨骼肌损伤的修复。在大强度负荷的训练和刺激导致骨骼肌微细损伤后，由于局部生长因子和细胞因子的释放增多，引起免疫应答反应,巨噬细胞迅速进入损伤部位,一方面清除可能坏死的肌纤维,另一方面分泌各种炎性因子和生长因子激活卫星细胞,促进其活化增殖、迁移、分化及融合到邻近的肌纤维,调节骨骼肌生长〔27〕。Ferrari等〔28〕认为肌肉损伤区卫星细胞的增殖分化是达到损伤修复目的的主要途径。向峥等〔29〕研究发现，胰岛素样生长因子-Ⅰ对运动性骨骼肌损伤后的卫星细胞再生有促进作用。邸勇等〔30〕对蛇毒诱导损伤后研究发现，损伤肌管和吞噬细胞中局部释放的生长因子，能够使MSC迁移到受损部位,并使肌卫星细胞在损伤部位广泛增殖，致使损伤的骨骼肌组织在损伤后的10 d内可以基本恢复。Bowers等〔31〕研究还发现,在肌纤维修复过程中,不仅可以使坏死部位的卫星细胞参与修复反应,而且整根肌纤维的卫星细胞移行到坏死部位参与修复过程,同时使坏死纤维周围正常肌纤维的肌卫星细胞也会移行到坏死部位参与修复反应。2001年美国运动医学大学年会指出〔32〕MSC和生长因子在骨骼肌的生长、发育、训练适应和损伤、移植中具有非常重要的作用。因此，研究MSC在运动创伤修复中的应用，具有重要的作用。

3 总结与展望

关于MSC的研究改变了人类治疗疾病的传统观点,现在在医学上人们已经利用MSC移植治疗心肌梗死、遗传性肌病的基因、失神经骨骼肌萎缩和运动损伤中的修复等疾病，并且取得了很好的效果，大量研究也揭示了肌卫星细胞在骨骼肌生长、修复和再生中的重要作用，但MSC从静止到激活、增殖直到终末分化状态的基因表达特性及其骨骼肌卫星细胞在运动训练中其分子调控机制和信号通路还有待进一步研究。

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