基于干细胞的肾脏疾病治疗的最新进展

核心提示：干细胞有可能成为下一个治疗肾脏疾病的再生药物。越来越多的证据表明，基于干细胞的治疗具有肾脏保护作用，可以减轻肾脏损伤，同时改善肾功能。这篇综述总结了目前在实验模型中基于干细胞治疗肾脏疾病的治疗方法以及迄今为止报告的人体临床试验的结果。

介绍

肾脏疾病是一个普遍存在的全球健康问题。一项新的分析表明，2017 年全球慢性肾脏病 (CKD) 的患病率为 9.1%（6.975 亿例）[ 1 , 2 ]。世界卫生组织估计，全世界每年有多达 5 到 1000 万人死于肾脏疾病 [ 3 ]。到 2040 年，CKD 预计将成为全球第五大死因[ 4 ]。

迄今为止，肾脏疾病的内科治疗还没有取得重大突破，而目前的常规治疗包括多药治疗，只能延缓疾病的进展。这些药物不能逆转进展为终末期肾病（ESKD）。目前延长 ESKD 患者寿命的治疗方法仅限于肾脏替代疗法、透析或器官移植[ 5 ]。由于透析治疗涉及高昂的医疗费用，这也损害了患者的生活质量，因此透析并不是理想的解决方案。这主要是因为透析不能恢复或替代所有肾功能[ 6]。同时，器官供体的严重短缺和潜在的器官排斥风险限制了肾移植的实践[ 7 ]。因此，医学研究人员必须探索新的治疗方法，以改善肾病患者的生活质量，并有可能治愈、逆转或减轻肾病。

干细胞被定义为能够自我更新并且可以分化成多种细胞类型的细胞。此外，干细胞具有细胞可塑性，易于在体外扩增，这是干细胞治疗的有益特性。干细胞在治疗心脏、神经元、血管、免疫和肾脏疾病方面得到了广泛的探索[ 8 , 9 ]。在一些国家，有基于间充质干细胞 (MSCs) 的干细胞疗法，这些干细胞疗法可作为经当地监管机构批准用于特定疾病或健康适应症的商业产品 [ 10 ]。因此，这种干预形式可以为人类疾病的下一个再生医学铺平道路。数字图11概述了基于干细胞的治疗肾脏疾病的策略。

图1

基于干细胞的肾脏疾病治疗策略概述。研究了不同类型的干细胞治疗肾脏疾病的能力。一种策略是在体外或体内指导干细胞分化为肾脏成分细胞，以替代受伤或受损的细胞。其他策略是移植干细胞或干细胞衍生的细胞外囊泡以产生旁分泌效应/内分泌效应，并使用肾脏类器官形成来替代整个肾脏器官。

本文基于动物模型和体外研究回顾了基于干细胞的肾脏再生治疗，并讨论了其临床应用潜力以及从动物模型转化为临床应用的挑战。

胚胎干细胞

胚胎干细胞 (ESC) 是具有无限分化潜能的多能细胞。几个研究小组已经证明，小鼠 ESC 可以整合到肾脏区室中，这表明干细胞在肾脏修复中的潜在价值。将 ESC 直接植入小鼠胚胎肾培养中会产生 ESC 衍生的肾小管和近端肾小管细胞[ 11 ]。将 ESC 暴露于特定的诱导剂或因子也会导致细胞在体外分化成肾系细胞[ 12 , 13 ]。金和德雷斯勒[ 14] 诱导小鼠 ESC 分化为肾祖细胞，然后通过注射到胚胎肾培养物中将这些细胞整合到肾小管上皮细胞中。在另一项研究中，当以这种方式对完整的大鼠肾脏进行脱细胞时，肾脏复杂的结构得以保留，并且接种的 ESC 可以在肾小球、血管和管状结构内增殖[ 15 ]。Vazquez-Zapien等人[ 16 ] 进一步报道，顺铂诱导的肾功能衰竭小鼠通过注射接受小鼠 ESCs 后，死亡率显着降低，并防止了与疾病相关的组织学进一步恶化。

另一方面，肾脏是一个由多种细胞类型组成的非常复杂的器官（图（图 2）。2）。因此，重建它是一个复杂的器官。许多研究人员已经制定了一种方案，以诱导 ESC 生成复杂的结构，以类似于具有多种肾细胞类型并能够自组织的肾脏，称为类器官 [ 17 , 18 ]。Tan等人[ 19 ] 报道，小鼠 ESC 衍生的肾单位祖细胞与原发性输尿管芽聚集在一起，形成具有完整肾单位结构的肾脏类器官。

图 2

肾脏及其主要成分。答：肾；B：肾单位的放大倍数；C：肾小体；D：肾小球。足细胞、系膜细胞和毛细血管内皮细胞是肾小球结构的一部分。

尽管具有临床潜力，但致瘤性风险以及法律和伦理问题继续阻碍基于 ESC 的疗法的发展。此外，ESC 衍生的分化细胞本质上是同种异体的，因此可以表达特定的表面蛋白来触发受体的免疫系统。因此，如果同种异体移植物未能与受体实现免疫相容性，则可能会出现急性和慢性排斥反应或移植物抗宿主病[ 20 , 21 ]。

诱导多能干细胞

诱导多能干细胞 (iPSC) 与 ESC 共享许多再生特性。2006 年，Takahashi 和 Yamanaka 表明，通过引入四种转录因子（OCT4、SOX2、KLF4 和 c-MYC），小鼠成体成纤维细胞可以重编程为 iPSC[ 22 ]。这是一个突破性的发现，成为干细胞研究的里程碑。基于 iPSCs 的疗法的发展可以克服与使用 ESCs 相关的特定问题，例如由于细胞来源和受体患者细胞排斥的可能性引起的伦理问题。

胚胎干细胞的使用存在争议，因为某些方面认为为胚胎干细胞破坏胚胎类似于杀死未出生的孩子。因此，iPSCs 是 ESC 样干细胞的一种有吸引力的替代品，因为 iPSCs 可以从成体细胞中产生。这些细胞还保留了其亲代细胞的遗传背景和特殊的表观遗传记忆，从而可能避免任何强烈的免疫反应。迄今为止，iPSCs 已经从成纤维细胞[ 23 ]、脐带血[ 24 ]、外周血[ 25 , 26 ] 和角质形成细胞[ 27 ] 中产生。研究人员还成功地从系膜细胞 [ 28 ]、肾小管细胞 [ 29 ] 生成 iPSC] 和肾上皮细胞 [ 30 , 31 ]。来自肾细胞的重编程 iPSCs 被认为可能有助于研究遗传性肾脏疾病，这可能会导致新疗法的发展。

已经探索了 iPSCs 在肾脏再生中的潜力，包括建立独特的方法来刺激人类 iPSCs 分化为肾脏谱系[32-34 ]或肾脏的三维结构[ 35 ]。Toyohara等人[ 36 ] 建立了一个多步骤分化方案，以诱导人类 iPSC 分化成能够在体外构建三维近端肾小管样结构的肾祖细胞。同一组随后发现，这些人 iPSC 衍生的肾祖细胞的肾包膜下移植改善了动物模型中的急性肾损伤 (AKI)。

除了依赖 iPSCs 的分化能力外，研究人员还在肾脏再生中使用了 iPSCs 产生的促肾因子。在缺血性 AKI 小鼠模型中移植 iPSC，可降低氧化物质、促炎细胞因子和凋亡因子的表达，从而最终提高生存率[ 37 ]。此外，Tarng等人[ 38 ] 证明，iPSC 衍生的条件培养基可减轻 AKI 并显着提高动物模型的存活率。

从最近的发展来看，iPSCs 现在可以在体外分化和产生类似于人类肾脏的肾脏类器官。人工制造的人体肾脏可用于再生医学，以及发育、毒性和疾病模型[ 39 - 41 ]。此外，使用患者自己的 iPSC 生成高质量的肾脏类器官可以以患者特定的方式进行药物验证。这是由于患者的个体遗传背景和药物反应性之间的紧密相关性[ 42 , 43]。Melissa H Little 的小组成功地生成了具有所有预期肾细胞类型的人类 iPSC 衍生的肾脏类器官。这些类器官具有分割成肾小球、近端小管、亨勒袢和远端小管的肾单位以及集合管、内皮网络和肾间质[ 44-46 ]。同时，Izpisua-Belmonte 小组也产生了一种肾脏类器官，其中含有肾小球、足细胞、近端和远端小管细胞以及内皮细胞[ 42 ]。Morizane等人[ 47] 报道了几种用于创建具有上皮肾单位结构的肾脏类器官的分化方案。这些类器官表达足细胞、近端小管、Henle 环和远端小管的标志物。

其他研究小组报告说，来自不同细胞类型的 iPSC 在分化能力方面并不相同[ 48、49 ]。这很可能发生，因为 iPSC 维持其亲代细胞的表观遗传记忆[ 50 ]。因此，肾实质细胞可能比其他组织的细胞更适合通过重编程来治疗肾脏疾病。

内皮祖细胞

内皮祖细胞 (EPC) 在维持血管完整性和修复任何形式的内皮损伤方面具有重要作用[ 51 ]。EPCs 可以从不同的细胞来源中分离出来，主要来自现成的骨髓、脐带血和外周血[ 52 ]。基于 EPC 的疗法的有益效果已在使用不同肾脏疾病模型（如 AKI、CKD 和肾动脉狭窄）进行的研究中得到证实。在肾缺血/再灌注 (I/R) 诱导的 AKI 动物模型中，肾动脉来源的 EPC 样细胞在 AKI 后整合到内皮中，导致血清肌酐 (SCr) 和白蛋白水平降低，同时血流改善[ 53 ]。Patschan等人[ 54] 进一步证明全身注射外周血来源的早期 EPC 可降低 SCr，改善间质纤维化，并随后减少 AKI 后向 CKD 的进展。

在动物模型中研究了 EPC 治疗对 CKD 进展的可能影响[ 55 ]。在这项研究中，骨髓来源的 EPC 被归巢到受伤的肾脏中，防止了炎症状况对肾脏的不利影响，并成功地保留了肾脏的功能和结构。Huang等人[ 56 ] 展示了一种注射外周血来源的 EPC 的啮齿动物模型，并观察到有效抑制 CKD 的传播和肾功能的恶化。注射的细胞增强血管生成和血流，并具有抗氧化能力，同时抑制炎症、氧化应激、细胞凋亡和纤维化[ 56]。同时，在肾动脉狭窄模型中，外周血衍生的 EPC 在注射到狭窄肾脏后表现出肾脏保护作用，通过改善微血管密度和肾功能以及减少纤维化[ 57-59 ]。

间充质干细胞

间充质干细胞，或最近称为间充质基质细胞，最早是由 Friedenstein 和他的同事从骨髓中发现的[ 60 ]。多年来，研究人员发现MSCs可以从各种器官或组织中分离出来，如脂肪组织[ 61 ]、脐带[ 62、63 ] 、胎盘[ 64 ]、外周血[ 65 ]、羊水[ 66 ]和骨骼肌[ 67 ]。

骨髓是临床治疗中最常用的 MSCs 来源，包括治疗肾脏疾病。然而，由于高度的病毒暴露，骨髓来源的MSCs（BM-MSCs）的使用变得有限，并且随着供体年龄的增加，细胞增殖/分化能力显着降低[ 68 ]。因此，研究人员开始探索其他类型的 MSCs 用于肾脏再生。在众多来源中，脂肪组织来源的 MSCs (AD-MSCs) 和脐带来源的 MSCs (UC-MSCs) 已成为理想的候选者，因为可以使用相对微创的程序获得大量的 MSCs [ 69 ]。

在肾脏疾病领域，间充质干细胞是激活受损肾脏再生的最有效的细胞群类型之一[ 70 ]。临床前报告已证明 MSCs 在 AKI 和 CKD 动物模型中的治疗潜力[ 71 , 72 ]。根据对 70 多篇文章的系统评价，MSCs 是治疗实验性 CKD 最有效的细胞群之一[ 73 ]。同时，在一项涉及慢性和 AKI 动物模型的荟萃分析中，尽管给药方式不同（动脉、静脉或肾脏），MSCs 仍导致肾脏再生[ 71]。有证据表明 MSC 在阻断 AKI-CKD 转换方面的有益作用，该术语用于描述 AKI 不完全恢复导致长期功能缺陷，如 CKD [ 74 ]。

在 Brasile等人[ 75 ]进行的一项实验中，当用 MSCs离体灌注缺血性损伤的人类肾脏24 小时时，记录了肾脏再生。基于 MSCs 的治疗导致肾脏合成显着较低水平的炎性细胞因子。与单独的失血代谢支持灌注相比，MSCs 处理的肾脏中经历有丝分裂的肾细胞数量显着增加[ 75 ]。

大量研究表明，MSCs 既可以分化为一般的肾细胞[ 76 ] ，也可以特异性分化为肾成分细胞，如肾上皮细胞[ 77-80 ] 、系膜细胞[ 81、82 ]和内皮细胞[ 83、84 ] .

干细胞衍生电动汽车

EV 是由各种细胞分泌的小膜囊泡，存在于大多数体液中[ 130 ]。本综述使用通用术语 EV，因为没有精确识别囊泡的方法[ 131 ]。EVs可分为三大类，即外泌体、微泡和凋亡小体。在当前背景下，研究人员认为，EVs可以转移到受损细胞中，以抑制组织损伤、减少炎症、抑制细胞凋亡，并诱导驻留细胞重新进入细胞周期，所有这些都导致细胞增殖、组织自我修复和再生[ 132 ]。在使用治疗方案后，EV 将在各种实验模型中模拟干细胞的作用。

使用干细胞衍生的 EV 在临床应用中可能具有多种优势，包括绕过与干细胞治疗相关的大多数安全问题，例如致癌细胞的细胞污染、致瘤性和移植后的栓子形成 [ 133 ]。同样，电动汽车还可以对载体分子进行广泛的潜在操作，以改善递送和预期效果[ 134 ]。电动汽车也可以安全地存放在医疗设施中而不会失去任何功能[ 135 ]。

几项研究提供了令人信服的证据，证明干细胞（特别是 MSCs）在不同肾损伤模型中释放的 EV 的再生潜力[ 136 , 137 ]。体外研究表明，MSCs 衍生的 EV 具有将 mRNA、miRNA 和蛋白质转移到肾细胞的潜力[ 132 ]。目前，这种无细胞疗法正在 AKI [ 138 - 140 ] 和 CKD [ 141 , 142的动物模型中进行研究]。静脉内 MSC 衍生的 EV 通过减少肾细胞损伤和细胞凋亡同时增强肾细胞的增殖发挥肾脏保护作用。这些影响导致肾功能改善，类似于 MSC 诱导的肾功能，正如在注射了来自 EPC [143、144] 和 iPSC [145、146] 的 EV的大鼠中所报道的那样。

终末期肾病患者接受肾移植后，患者的生活质量显着提高[ 5 ]。然而，慢性同种异体肾病限制了器官的存活，最终导致患者在一生中不得不接受不止一次的肾移植[ 147 ]。发现肾移植后给予 EV 可改善急性和慢性阶段的 I/R 损伤，有利于耐受性并延长同种异体移植物的存活率[ 148 ]。

用干细胞衍生的 EV 对肾脏进行预处理也可以方便地限制由慢性同种异体移植肾病引起的组织损伤。有证据表明，MSCs 衍生的 EV 在器官冷灌注 4 小时期间在灌注液中传递，可保护肾脏免受再灌注损伤，并能保护器官的酶促机制，这对细胞活力至关重要[ 149 ]。

从动物模型到人体临床应用的转化：挑战

尽管许多动物实验证明了干细胞治疗对肾脏疾病的有效性，但这些动物模型的结果在人类临床研究中未能成功复制[ 150 ]。由于动物模型和人体生理学的变化[ 151 ]，未能将具有合理和标准化设计和行为的动物实验的有希望的结果转化为临床应用。

人类肾脏疾病通常是在动物模型中人为诱发的。诱发的损伤通常是急性的、非生理性的，不能集中体现人类肾脏疾病的复杂病理特征[ 152 , 153 ]。因此很难通过使用动物模型来精确模拟或预测人类肾脏疾病对治疗的反应。CKD 动物实验不足以反映疾病的状况，因为没有代表年龄、性别和合并症等其他因素[ 154 , 155 ]。CKD 患者还可能有涉及多个器官和功能的合并症，这些合并症会进一步加重 CKD 的病理过程[ 156]。然而，在动物模型中，这些并发症并未被考虑在内。

人类和动物可能具有相同的蛋白质功能，但基因的分子调控存在物种特异性差异。这导致难以将动物基因分析的结果外推到人体的生理状况[ 157 ]。动物和人类免疫系统之间的差异是未能将体内研究中具有前景的治疗方法转化为具有潜力的临床应用的另一个原因[ 158 ]。

推进干细胞治疗肾病的临床试验

截至 2021 年 3 月，美国国家医学图书馆 (ClinicalTrials.gov) 已经注册了 40 多项正在进行或已完成的临床试验，这些试验涉及使用基于干细胞的疗法治疗肾脏疾病。大多数用于肾脏疾病的干细胞临床试验在其方法中使用 MSC。桌子表格11显示了基于 MSC 和 EPC 的肾脏疾病疗法的已完成临床试验