干细胞在膀胱组织重建生物工程中的研究进展

占得文

摘 要：近二十年来，干细胞和组织工程在膀胱组织重建中的研究是近年来一个令人关注的领域，也取得了较大进展。干细胞具有重要的种子细胞功能，成功的为膀胱修补和替代提供了新材料，并将在膀胱组织重建中有着十分广阔的应用前景。本文分析整理了膀胱重建所需的干细胞来源、生物学特性、表面标志物鉴定，以及其未来的研究方向进行了展望。

关键词：膀胱组织重建；干细胞；尿路上皮

1. 间充质干细胞

目前而言，MSCs是膀胱组织工程最主要的种子细胞。Anumanthan等人发现，小鼠骨髓来源的MSCs贴附生长于胚胎大鼠膀胱间质壁时，可分化为所需的尿路上皮细胞，组织学检测显示膀胱组织的形成，细胞表达uroplakin证实尿路上皮细胞的分化。当人骨髓MSCs同人尿路上皮细胞共培养时，可以分化出尿路上皮细胞的特征。Tian等人进一步发现，当在仅适用于尿路上皮分化的条件培养基中培养时，MSCs即可分化成尿路上皮，表明无细胞分化系统的可行性。

MSCs影响膀胱组织再生的机制，推测可能是通过分泌多种生长因子和细胞因子，进而影响细胞增殖、血管生成，并影响微环境。MSCs可通过调节旁分泌作用，从而影响细胞迁移；也可发挥促血管生成的作用，这种作用受富半胱氨酸蛋白61调节，当敲除Cyr 61时，MSCs失去促血管生成的特性；另外，MSCs具有促进神经再生的作用，Leite等人发现，静脉来源的MSCs粘附生长于无细胞支架上时，表现出神经分化的作用。因此，MSCs除了作为尿路上皮和平滑肌再生的潜在细胞来源，仍具有其他分化潜能，仍需要更多的研究来阐明MSCs在塑造微环境、促进血管生成和神经再生中的作用和用途。

2. 成体干细胞

成体干细胞是膀胱组织工程另一个重要的种子细胞来源，根据来源分为脂肪来源、尿路上皮来源和毛囊来源干细胞。脂肪干细胞是最容易获取的成体干细胞之一，Zhang等人发现将ASCs与永生化人膀胱尿路上皮细胞系混合，并移植于无胸腺小鼠皮下，4周后，约70%的ASCs表达uroplakin Ia，65%表达uroplakin-II 。然而，由于ASCs起源不属于上皮细胞，对ASCs分化的确切机制和作用发挥特性，仍需要进一步确定。尿液衍生干细胞是另一种较易获取的成体干细胞，是分布于尿液中的一个细胞亚群，其生物学特性与MSCs相似，具有多能分化和促血管生成旁分泌的能力。由于其易获得、可发生60-70次倍增，并且来自自体而免于排斥反应的风险，因此，成为受到青睐的组织工程细胞，但对大多数膀胱癌，尤其是终末期膀胱癌的患者，并不适用。毛囊干细胞是目前研究较少的成体干细胞，但仍旧发现，毛囊干细胞具有分化成尿路上皮样表型的特性。

3. 胎儿干细胞

胎儿干细胞、人羊膜干细胞、人脐带来源的MSCs也是可用于组织工程膀胱的种子细胞。人羊膜干细胞从羊水中获取，HUMSCs来源于产后脐带组织，这两种细胞均不影响胚胎。在尿路上皮细胞专用培养基中培养，人羊膜干细胞可以表现出尿路上皮细胞典型的细长和多边形形态，并表达uroplakin II、cytokeratin 8，and Fibroblast growth factor 10（FGF10）等尿路上皮标志物，而HUMSCs也可以被诱导成尿路上皮样细胞。并且这两种细胞粘附生长于脱细胞基质上，用以修复犬模型的膀胱损伤，修复效果均较对照的脱细胞基质效果好。

4.多能干细胞

由于对间充质干细胞，成体干细胞和胎儿/产后干细胞的分化机制了解不足，并且对间充质谱系细胞的上皮分化的长期功能和安全性仍旧未知，而胚胎干细胞和诱导多能干细胞具有分化多能性，因此，成为组织工程膀胱中瞩目的备选种子细胞。体内实验发现，将ESCs培养于小鼠胚胎膀胱间充质层上，可见ESCs分化为尿路上皮细胞；体外实验发现，维甲酸可以诱导小鼠ESCs和iPSC分化为尿路上皮样细胞。基于从小鼠模型中获得认识，研究者们进一步确定，人ESCs和iPSC可通过尿路上皮定向分化步驟，可将约60%的干细胞定向分化为尿路上皮细胞，这些成果对于临床应用转化具有重要的作用。

5.其他功能干细胞

5.1 应用于固有肌层再生

固有肌层是尿路上皮层以下，用以维持膀胱的形态和机械性质的结构组成，主要由平滑肌细胞组成。目前研究证实，该类型细胞可由多种干细胞分化而来，包括脂肪干细胞、间充质干细胞、尿液衍生干细胞、毛囊干细胞，以及肌源性干细胞。评价平滑肌细胞分化成功与否的方法包括平滑肌细胞特异性标志物的表达、生物学特性，以及可以。但仍需要进一步研究，以更有效地产生能模仿天然膀胱功能的粘性肌层。

5.2 应用于血管再生

多项生物工程膀胱移植的临床实验强调，新血管在移植物上的形成，对于预防移植物萎缩和坏死至关重要，尤其值大面积组织工程膀胱移植中更为重要，而种植的种子细胞可以更好的促进新血管广泛和快速的形成。但是迄今为止，干细胞在组织工程膀胱血管发生中的应用研究仍旧较少，最近一项研究表明，脂肪内皮祖细胞在膀胱脱细胞基质中形成毛细血管样结构，可能成为组织工程膀胱再生中的血管来源。过表达VEGF的内皮祖细胞表现出增强的新血管形成能力，这表明结合VEGF基因表达的细胞是组织工程膀胱的未来。

展望

理想的组织工程膀胱需由多种生物相容性材料组成，即可提供膀胱充盈和排空所需的机械力，还需保证新形成的尿路上皮细胞具有紧密连接，在膀胱间充质和尿液之间形成有效屏障，同时需支持新生血管向内生长，并且不受宿主免疫系统排斥。不断出现的新技术、新型干细胞使得组织工程膀胱再生取得了很大进步，未来的发展方向更多的表现在促血管生成和神经再生方面，从而获得较为理想的动态尿液储库。