1964年,营养与内分泌学家Martin Rodbell在研究脂肪细胞新陈代谢的特性时,首次使用胶原酶处理了大鼠附睾脂肪组织,在离心后得到了底层含有混合细胞(如干细胞、内皮细胞、巨噬细胞)的颗粒-血管基质成分(stromal vascular fraction,SVF)[1]。作为一种异质性的多功能细胞系统,SVF包含脂肪来源干细胞(adipose derived stem cells,ADSCs)、内皮细胞、单核-巨噬细胞、造血干细胞、脂肪前体细胞和周细胞等细胞亚群[2]。以上多种细胞成分使得脂肪SVF除了具有多分化的能力,还具有抗凋亡、抗氧化、抗炎,刺激成纤维细胞合成胶原蛋白,调节免疫反应和促进血管形成的功能[3],这些生理特性让脂肪SVF在未来医学中可能发挥更为重要的作用。
一、脂肪SVF的组成成分、功能和作用机制
1.脂肪干细胞:脂肪组织中的一个关键实质细胞类型是脂肪干细胞(ADSCs),是间充质干细胞一个分支,具有许多与其他间充质干细胞相同的特性,ADSCs可能是成年人中所有不同类型的间充质干细胞中最容易分离的一种,而且相对含量很高。自2001年ADSCs被鉴定以来[4],研究人员对其进行了广泛研究,发现ADSCs不仅具有多潜能性的分化再生能力,还能促进成纤维细胞、上皮细胞和内皮细胞的增殖、迁移和分泌,进而发挥抗炎、免疫调节和镇痛作用,甚至还有旁分泌效应[5]。研究证明ADSCs会通过肝细胞生长因子介导的通路,影响毛细血管密度和灌注;当将ADSCs与人血管内皮细胞放在一起时,ADSCs可改善内皮新生毛细血管网的组装和稳定性,由此可见,ADSCs在血管网络的重建中也发挥着重要作用[6]。
2.内皮细胞:脂肪SVF细胞的标志性特征之一是形成功能性血管,这离不开内皮细胞的作用。SVF中的内皮细胞(endothelial cells,EC)可以通过释放血管内皮生长因子和胰岛素样生长因子-1等生物分子来实现诱导血管生成。Koh等人[7]在耗尽新鲜分离的SVF中的EC后,证实了体内SVF生血管功能完全消失。20 世纪 80 年代初,Madri和 Williams证实[8],SVF内皮细胞与周围结缔组织之间有细胞增殖并形成薄片或聚集成管状结构的倾向,还表明,在没有其他细胞类型的情况下,EC在体外也能组装成血管网络。总之,内皮细胞存在于所有血管中,它们对SVF的生血管能力起决定性作用。此外,从临床角度来看,EC快速自我组装成新生血管网络的能力在再生领域具有潜在价值,能够在缺血或需要进入血液循环的情况下,让组织工程植入物有血液供应。同样重要的是,EC可以在没有SVF其余细胞的情况下,衍生自我组装管状结构的新血管。
3.单核-巨噬细胞群:单核-巨噬细胞群分布在全身各组织器官中,发挥免疫作用。在脂肪组织SVF中也存在单核-巨噬细胞群,Morris及其同事发现经静脉注射SVF进入循环系统中的巨噬细胞出现在血管内膜层,这些巨噬细胞可能以类似的方式控制SVF衍生血管的张力[9]。有研究者还描述SVF的巨噬细胞在血管组装中,发挥形成相应组织血管结构的作用[7]。为了证实这一点,Fantin及其同事从SVF中去除巨噬细胞后,研究的结果也认为巨噬细胞有助于血管吻合;他们还证明了虽然SVF可以在没有巨噬细胞的情况下形成网络,但这些网络的质量似乎取决于巨噬细胞是否存在以及SVF和宿主巨噬细胞群之间的协同作用[10]。
4.脂肪SVF的其他细胞成分:在脂肪SVF中,脂肪前体细胞(脂肪细胞祖细胞)是一类具有增殖和向脂肪细胞分化的特异性细胞,是促进脂肪细胞再生过程中的一个必经途径,目前人们对脂肪细胞祖细胞分化的细胞层次结构和机制尚不完全明确[11];周细胞别名壁细胞,可以嵌入全身毛细血管内皮细胞的基膜中,进而收缩实现调控毛细血管血流量的功能,拥有和ADSCs一样的干细胞特性,还可以参与代谢平衡、血管发育和血管稳定、免疫反应以及组织的修复和再生[9];造血干细胞作为各种血细胞的前体,最终可以生成各种血细胞的成分,也可以分化为其他细胞,主要存在于骨髓中,在脂肪血管基质成分中可能来源于外周血。造血干细胞能够重建造血和免疫系统,但其在SVF中发挥作用的具体机制尚且不完全清楚[12]。
5.脂肪SVF各类细胞的相互作用:内皮细胞的增殖和凋亡、成纤维细胞的增殖和迁移以及胶原蛋白的合成都需要同时协调进行,血管内皮生长因子和化学趋化因子等因子水平变化的时间受EC信号通路密切调控,以便诱导新血管的生长。如图1所示,ADSCs和EC是SVF的两种重要成分,分别通过VEGF、PDGF及其他成分进行交叉反应,从而实现细胞增殖、向损伤部位汇集、新生血管网的系列效果。Traktuev等人证实,ADSCs产生的某些因子(如VEGF)有助于EC迁移,让其存活率更高,相应地,EPCs产生的血小板衍生生长因子可使 ADSCs增殖和迁移,他们还证明了ADSCs和EC之间的物理相互作用,在 ADSCs 的支持下,EC可在体外和体内形成稳定的管状血管样结构,也表明脂肪SVF通过血管细胞和非血管细胞之间相互协调的共同作用实现组织愈合再生的功能[13]。
来源:参考文献[14]
图1 SVF 中的 ADSCs 和 ECs 促进血管生成的作用机制
二、脂肪SVF临床应用进展
1.骨科及美容整形:脂肪SVF最普遍的应用方向是以膝骨关节炎(knee osteoarthritis,KOA)为代表的骨科疾病。Pak[15]于2011年在临床上向KOA患者关节内注射自体脂肪来源SVF,首次用非手术方式治愈了骨关节炎。随后的许多研究证明了膝关节骨性关节炎患者使用自体脂肪基质血管成分的安全有效性,另外,对于药物相关性颌骨坏死、髌骨软骨软化症、儿童成骨不全症以及在腰椎后路椎间融合术的围手术期的患者,使用SVF后都有很好的治疗效果[3]。
在SVF辅助下的美容整形也进入迅速发展阶段,SVF辅助的脂肪移植在面部体积缺陷治疗中的应用表明,相对于传统脂肪移植这是更安全有效的方法,所有患者的单次脂肪移植手术,受SVF富集脂肪的区域面部体积测量均较术前改善[16]。Jeon等人[17]对20例自体乳房重建后体积不足的患者进行研究,发现脂肪SVF在有效提高自体脂肪移植物的存活率的同时,还能矫正乳房重建后的体积,并在美学方面提高患者满意度。除面部年轻化之外,SVF也被用于美化眶下区域老化皮肤、鼻中隔成形术、面部轮廓重塑等方面,广泛应用于医疗美容方向多种疾病的治疗[3]。
2.神经系统和缺血性疾病:阿尔茨海默病是一种进行性发展的神经系统退行性疾病,病因和发病机制目前尚不明确,目前尚没有方法可以逆转或阻止阿尔茨海默病的病情发展,Duma等研究人员[18]对患有神经退行性疾病的受试者在脑室脑部注射SVF,其中80%的阿尔茨海默病患者在接受注射后保持稳定,并在认知测试中表现出症状的改善,这表明SVF可能减缓了神经退行性疾病的进程。Comella等人[19]对有心肌梗死病史的28名患者进行心肌内植入脂肪SVF的治疗,多数患者对治疗结果感到满意,没有发现与治疗相关的严重不良事件或并发症。还有研究人员将基质血管成分用于治疗卒中患者瘫痪上肢或者无法血管再生性肢体缺血,结果显示治疗后的患者症状得到缓解、生活质量也有所提高[3]。由此可见脂肪SVF细胞的多种细胞相互作用有可能在目前难以明确治疗方法的神经系统和循环系统疾病中提供助力。
3.烧伤、瘢痕、难治性溃疡和脱发:G Ryabkov[20]在皮肤热烧伤患者的创面进行了皮内注射自体脂肪SVF,在大多数的临床病例中,没有发现不良反应,并在SVF治疗后的伤口区域观察到皮肤失水显著减少、温度调节得到改善和表皮厚度增加的变化。9名面部萎缩性痤疮疤痕的成年患者接受SVF治疗6个月后,皮肤毛孔、斑点、皮肤亮度和黑色素含量、皮肤弹性和经表皮失水均有明显改善。此外,在表皮和真皮中都观察到更致密的皮肤层[21];Behrangi[22]同样也对7名痤疮疤痕患者面部的皮内注射了SVF,治疗后患者疤痕体积、面积和深度发生改善,以上两研究说明脂肪SVF可以作为治疗难治性疤痕的潜在有效方法。Moon等人[23]将SVF细胞注入糖尿病足患者的患处,伤口在1个月内完全愈合,在2年的随访中伤口保持闭合,无严重并发症。Lee等对9名患有雄激素性脱发的患者进行了上部头皮自体SVF单次移植治疗,毛发密度和角蛋白评分在6个月内显着增加,表明SVF是一种有效的治疗脱发的方法[24]。
4.生殖健康领域疾病:目前脂肪SVF在生育健康领域的临床应用处于起步阶段。生殖健康疾病主要指生殖器官和腺体的相关疾病,对人类健康有重大的影响。由于女性生殖器官的特点,女性的生殖系统疾病更为常见,现代社会两性的不孕不育发病率也在上升。然而,近几十年来,生殖疾病的新疗法相对较少,研究还有一定的局限性。Mercuri等人[25]在Pubmed数据库中检索发现,关于非生殖器官的研究文章数量是生殖器官研究的4.5倍,表明国内外对此领域的关注有待提高。
(1)女性压力性尿失禁和绝经期泌尿生殖系统综合征。Maene等人[26]将脂肪来源的血管基质成分自尿道下植入,治疗女性压力性尿失禁,并对患者进行了为期9个月的随访,结果显示,大部分患者的主观症状好转。有12名妇女接受脂肪SVF注射于阴道壁治疗女性绝经期泌尿生殖系统综合征,并在2周后的调查显示,患者因外阴、阴道萎缩造成的干涩、烧灼、刺激、瘙痒等症状有了很大的好转,性生活质量有所提升,接受治疗的患者都未见明显的不良反应[27]。纵然此研究局限于患者数量较少,且缺乏安慰剂对照组,但依然提示,在阴道壁注射自体脂肪组织来源的血管基质成分有希望改善妇女的生活质量。
(2)不孕症和卵巢早衰。不孕症及卵巢早衰直接影响人们健康水平和生活质量,临床缺少相关有效的治疗方法。有研究针对6位重度Asherman综合征的不孕女性,将其自体脂肪SVF经宫颈滴注移植到患者子宫内,并辅以雌激素治疗,并为接受治疗的患者进行了新鲜或冷冻胚胎移植,观察子宫内膜生长情况和对妊娠结果的影响。结果发现2名闭经妇女恢复了月经,但经量很少;3名少经妇女的月经量有所增加,并且治疗前后的超声表明治疗后患者的子宫内膜厚度显著增加,尽管有1名妇女在妊娠9周时自然流产,但其余患者均未出现明显的不良反应,这表明SVF在恢复子宫内膜功能和增加子宫内膜厚度方面具有可行性,这在未来可能成为子宫内膜功能障碍性不孕妇女的治疗方法[28]。Mashayekhi等人[29]对9名符合卵巢早衰(premature ovarian failure,POF)诊断标准的患者,通过单侧卵巢、阴道内或腹腔镜移植给予三种剂量自体脂肪SVF提取的ADSCs,发现ADSCs的卵巢内移植是安全可行的。
三、结语
随着人类医学领域的进步和发展,治疗疾病的核心正在由药物治疗逐渐走向细胞治疗,这一变革性的手段,让人们对疾病和生命有了更深的理解。脂肪SVF安全有效,近年来在组织工程和再生医学的研究中获得了广泛关注。再生组织的成功存活和功能性可能取决于是否存在稳定的支持性血管供应,脂肪SVF可能通过促进血管生成、组织修复等作用,重建组织受损或老化的结构,恢复生理功能,达到治疗疾病的目的。但是脂肪SVF具体治疗作用的机制尚不清楚,其生物活性可能受到宿主组织微环境以及细胞成分和细胞之间的相互作用等多种因素的影响。
总的来说,SVF具有促进血管生成和重塑的功能,在细胞增殖、分化、凋亡、免疫调节和组织再生等方面均可发挥重要作用。脂肪来源血管基质成分作为组织工程和再生医学的新星,在临床治疗的应用潜力不可估量,其具体机制仍需进一步探索和研究。脂肪SVF细胞向驻地细胞分化的特性对于在现有疗法无法治愈的病变具有潜在临床应用价值,对临床治疗新方法的提出有重要意义。理论上脂肪来源血管基质成分可以用于治疗生殖健康领域的部分疾病,但还需要更充分的临床及临床前研究证明其是否具有实际的治疗效果。
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