如今，干细胞技术已被应用于动物医学中诸多疾病的治疗。这不仅得益于干细胞具有很高的治疗潜力，而且与其可以采用直接分离或预先培养的自体或同种异体细胞进行临床应用息息相关。研究表明，该过程是安全的，并给动物健康带来了巨大收益。
本文将重点介绍间充质干细胞及其修复机制，以及目前研究和应用最多的疾病类型及临床方案。临床上应用的干细胞方案、分子机制和生理反应之间的关系，可为新的研究提供帮助，从而改善动物乃至人类疾病的治疗效果。
什么是间充质干细胞?我们为什么要使用它？
- 增殖、分化和组织再生的潜力
从概念上讲，间充质干细胞（MSC）是具有自我更新能力的细胞，并具有向其他细胞类型分化的潜力。这些细胞会受到来自细胞信号传导过程(自分泌、旁分泌、内分泌或细胞内)的干细胞巢(成体干细胞接收信息的必要环境)的影响，从而激活其细胞增殖和分化的机制。这些信息来自于干细胞之间的相互作用、干细胞与邻近的已分化细胞之间的相互作用，以及干细胞与粘附分子、细胞外基质成分、氧张力、生长因子、细胞因子以及环境的物理化学性质之间的相互作用。干细胞巢发出的信号可以使MSC根据需要采取不同的“行为”。
图1 MSC对干细胞巢的影响：MSC根据信号传导因子，可能会做出不同的决定，其中主要涉及增殖和细胞分化。MSC捕获并发送分子信号，通过调节免疫系统或提供组织修复效应物，包括激活细胞归巢、细胞凋亡、诱导新血管形成和愈合过程，来改变干细胞微环境。
成体干细胞，主要是MSC，存在于所有组织和器官中，其主要功能是在生理细胞更新过程中替代死亡细胞。此外，它们也可以在病理情况下替换死细胞，如缺血、炎症或创伤。干细胞是受损组织修复的来源，因为它们在损伤信号或病理状态下做出相应应答。这种模式的感知与特定细胞信号轴的激活及其反应(迁移、增殖和分化)有关，这一过程被称为细胞归巢，是细胞治疗有效性的基本机制。
一旦损伤发生，细胞归巢被激活，以促进组织修复。受伤的组织(炎症)一旦进入缺血状态，通过营养素缺乏，生成低氧环境，激活缺氧诱导因子-1 (HIF-1)，从而导致细胞因子的释放，如基质衍生因子-1 (SDF-1)以及血管内皮生长因子(VEGF)。这些细胞因子被相应部位的细胞识别，并在血管中帮助它们穿过组织层(迁移)，以模拟细胞外基质和激活必要的细胞分化。同时，病灶激活免疫反应并随之释放影响细胞归巢的活性氧。在MSC来源中，虽然新的潜在组织(包括合成)正在被探索，骨髓和脂肪组织仍是最广泛用于治疗的，脂肪组织中更为丰富。
- 了解旁分泌效应
MSC能够分泌影响组织修复的细胞因子。其功能是通过影响受体和细胞内通路的激活(或失活)来满足邻近细胞的需要，而不损害机体的其他细胞。因此，这些分子中的许多被认为是旁分泌因子。缺氧条件下，一旦归巢激活，MSC可以释放SDF-1、VEGF、纤维母细胞生长因子(FGF) -2、-7和肝细胞生长因子(HGF)、血管生成素1、转化生长因子-b (TGF-b)、基质金属蛋白酶-9(MMP-9)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白介素-1(IL-1)和白细胞介素-6 (IL- 6)以及其他因子。
在通过损伤激活SDF-1后，无论是否进行细胞治疗，成体干细胞(骨髓或受损组织部位细胞)都会增殖，信号越强，细胞反应越强烈。要做到这一点，细胞必须能够表达信号的表面受体，一旦识别出修复的“指令”，趋化性的转导通路就被激活。因此,当SDF-1绑定到特定的膜受体CXCR4，同时MAPK、Akt、PKC、PI3K和NFkB信号通道被激活。这些信号分子引起细胞增殖、细胞骨架重组并激活其他细胞因子，特别是白细胞介素。
激活血管生成过程对于新生血管的形成，改善损伤组织的营养，进而促进缺血区域的恢复是至关重要的。无论是缺氧还是炎症发生后，VEGF和血管生成素(负责血管成熟) 的表达均可诱导并激活内皮祖细胞，从而形成新的血管。一项对猪诱导型直肠炎的研究表明，反复注射MSC除了能够调节血管生成素和FGF-2表达外，还能够调节VEGF及其受体的表达。此外，以诱导血管生成为目的的细胞治疗方案针对肌肉组织损伤、肢体缺血，特别是心血管疾病得到了很好的研究。
- 免疫调节潜能
研究表明，MSC的免疫调节功能与机体的整个生命周期内的修复能力有关。这一特性导致受体免疫系统的耐受性，从而允许使用遗传上不同的供体细胞（同种异体），这在细胞移植方案中极受欢迎。MSC的免疫调节能力似乎与其与T-CD4、T-CD8细胞和它们的炎性介质间的相互作用有关。这类干细胞通过下调分泌介质并激活抗炎细胞因子来阻断炎症信号。事实上，T细胞直接参与移植物抗宿主病，通过IFN- 可以激活TGF-b，但不会影响IL– 10；MSC可增强抑制并限制Th1的应答。此外，MSC能够阻止树突状细胞向淋巴细胞抗原表达，以及抗原向淋巴结(激活位置)的迁移。使用MSC后机体中CCR7 、CD49d 1显著下调，这两种因子参与淋巴器官的树突细胞归巢。
细胞治疗在动物医学中的应用
自2000年代初以来，在动物医学领域，细胞疗法已成为临床现实，最初的应用目的是治疗马肌腱损伤，目前世界上已经有成千上万的动物接受了治疗，从而能够评估这种治疗方法的有效性，尤其对于治疗马和其他动物的肌腱、韧带损伤和关节疾病等效果显著。当前，关于应用MSC的治疗方案的研究数量在不断增加，而且狗、猫和马的细胞治疗取决于动物医师与实验室的联系，后者可以分离、培养和制备要使用的细胞。在这方面，兽医和实验室专业人员要共同决定什么是最佳的治疗形式。
图2 细胞疗法在动物医学中的应用。由于遗传因素、退行性过程和不适当的饮食，伴侣动物(宠物)以及竞技动物，会受到多种伤害，可能影响肌肉组织、疼痛、关节和脊椎盘软骨磨损、肌腱炎、骨折和骨退化。临床应用和治疗方案是基于成体干细胞的使用，从新鲜骨髓或脂肪组织中分离；或在实验室中从这些组织中扩增，提取的MSC具有很高的治疗能力。
- 竞赛动物
尽管有大量涉及动物的运动，如狩猎、格斗和斗牛，但细胞疗法在赛马运动中应用得更广泛。这是因为这种模式是最容易导致马肌腱、关节、软骨和骨头受伤的方式之一。在动物医学中，跳跃也是一种导致这类伤害的活动。除了动物健康问题、损伤，同时也会产生相当多的经济问题，因为赛马是一种需要耗费大量资金进行体能训练和竞技训练的动物。（欧盟委员会已批准上市首款干细胞兽药，用于减少马匹由非脓性关节感染引发的轻中度复发性跛行。）
其实，在筋疲力尽的训练后，即使没有软骨或骨骼损伤，动物也可能受到肌肉疼痛的影响，这将妨碍其运动，并可能加剧炎症过程。考虑到肌肉骨骼损伤，在一项研究中有30只动物接受了细胞治疗，其中28只重新返回了赛场，表明细胞治疗产生了明显的改善。
肌腱是具有结缔组织功能的纤维结构，其胶原纤维相互交织，通过环形韧带与骨骼相连。损伤的韧带和肌腱的恢复伴随着大量细胞的汇集和新纤维组织的形成，但生物力学性能较低，导致性能衰退，增加了新的损伤的风险。马和狗是临床上受影响最严重的动物，通过MRI和B超对其进行分析，它们的肌腱病变与人类的组织病理学相似。指屈肌腱的重复性损伤在赛马和跳马中较为常见。
由于胶原蛋白的大量存在，损伤会迅速激活干细胞归巢机制，从而使干细胞注射修复肌腱成为可能。此外，越来越多的实验方案描述了使用干细胞和整合基因刺激肌腱再生过程后改善的结果。评估的主要生长因子包括骨形态发生蛋白(BMF)、血小板源性生长因子(PDGF)、成纤维细胞生长因子（FGF）、血管内皮生长因子（VEGF）和胰岛素样生长因子1 (IGF-1)。研究人员观察到MSC释放的外泌体(参与细胞间通讯的胞外囊泡)可能分泌抗炎因子，这对肌腱修复非常有效。
此外，竞赛活动也会导致软骨损伤，尤其是关节处，这些损伤也与动物医学有关。事实上，这些组织的再生能力低于其他组织。这些软骨受到的创伤会引发韧带炎以及骨关节炎。即使这些损伤引起干细胞归巢，其生理机制仍是弱激活的。研究表明，MSC具有向成骨细胞和软骨细胞分化的巨大潜力，无论是否存在软骨生成诱导，均能够逆转损伤，改善受损关节的功能性和可持续性。而涉及软组织、软骨和骨骼损伤的问题在高强度运动的动物中相当常见，特别是在马身上。而且这些组织的退化过程也会发生在伴侣动物身上，比如狗和猫。
- 伴侣动物
近年来，人们对利用干细胞治疗家畜的各种疾病产生了浓厚的兴趣，其中主要是伴侣动物的疾病，干细胞的治疗方法为迄今尚未能治愈的伴侣动物疾病提供了新的治疗视角。
研究人员对从不同犬种(博德牧羊犬、德国牧羊犬、拉布拉多、金毛寻回犬和霍夫瓦尔特犬)中分离出的间充质干细胞进行形态学和生理学研究。研究表明，MSC的特性，如增殖能力的基础分析、衰老、细胞系的体外分化和表型表征，在所有被测试的种族中都非常相似。因此，在不考虑某些变异的情况下，这些分离培养的MSC，能在体外扩增，并显示出增殖和分化的潜力，从而符合进行细胞治疗的条件。从脂肪组织中分离的MSC经常被应用于犬类疾病的治疗。研究人员评估了将同种异体间充质干细胞植入急性脊髓损伤犬中的情况，对成熟神经细胞进行核磁共振成像和病理组织学检查，发现细胞组神经传导速度、躯体感觉电位和神经功能明显改善。同种异体间充质干细胞也用于治疗犬髋关节发育不良，结果表明细胞治疗是安全的，并且有显著改善。
由于遗传性的或者某些畸形或饮食不适当，可能引起的狗和猫出现骨骼问题。主要问题是佝偻病、软骨病、骨质疏松症、骨纤维化和其他骨骼畸形。考虑到骨修复和延长(骨生成)，MSC也是一个很好的治疗选择。有趣的是，除了其固有的活性外，这种细胞类型还可以作为药理学药物的基因载体(体外基因治疗)，从而帮助骨形成。
结论
细胞疗法是一种安全的方法，而且不太昂贵或费力，可以应用于多种哺乳动物，因为它们的形态组织基础相类似。基于间充质干细胞有促进组织修复、激活旁分泌因子、免疫调节和感知细胞归巢信号的能力。因此，这些细胞经常被用于伴侣和竞赛动物，以治疗骨性疾病(如骨关节炎)、肌腱和软骨、肌肉和其他组织问题，这些疾病或由遗传引起或由体育活动、不适当的饮食等引起。干细胞作为治疗手段的适用性，促使其也可用于其他动物群体，如农场动物等。
本文由博雅秀岩编译整理：
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参考文献：Melissa Medeiros Markoski. “Advances in the Use of Stem Cells in Veterinary Medicine: From Basic Research to Clinical Practice”Scientifica. Article ID 4516920, 12 pages，2016.