随着干细胞移植技术的发展，通过输入干细胞进行抗衰老治疗或治疗退行性疾病成为人们研究的热点。人脐带间充质干细胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells，HUCMSCs)是一种存在于脐带沃顿胶以及血管周围组织中的独特前体细胞，具有自我更新和多向分化潜能。目前大量科学研究显示HUCMSCs通过再生和修复衰老的细胞、组织和器官达到抗衰老作用。该文对HUCMSCs的生物学特性、组织再生修复作用和抗衰老治疗机制的研究进展进行了详细回顾，并对目前HUCMSCs临床前研究现况进行了总结，提示HUCMSCs是一种具有良好应用潜力和价值的干细胞类型。
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衰老是一种不可避免的、渐进的生物学过程，主要表现为组织细胞衰老和凋亡增加，细胞的自我更新和分化能力下降，功能性成体干细胞衰老，细胞总量下降，各个组织器官生理功能退化以及代谢缓慢等。预计到2050年全世界60岁以上老年人口数将是现在的2倍，也就意味着每3个人中就有1个老年人[1]，老龄化带来的种种困扰和问题变得更加严峻。Hayflick[2]在1961年首次提出干细胞具有较强的增殖分裂能力，但经过50～60次分裂后表现出增殖停顿，即干细胞衰老状态。Anastasia在2007年的《自然》杂志中也指出成体干细胞减少是人体衰老的主要原因[3]。因此，通过干细胞移植治疗保持干细胞活力和数量以及延长干细胞寿命，从而起到抗衰老的作用，这将会是未来一种有效的抗衰老治疗手段。
间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一类具有自我更新和向多种组织细胞分化潜能的成体干细胞，可从骨髓、脐带、脂肪组织、外周血、肝脏、皮肤和骨骼肌等多种组织中分离出来[4]。这些MSCs可分泌抗炎因子并抑制细胞凋亡[5]；还可经适当诱导分化为多种组织细胞，呈现强大的组织再生与修复特性。骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs)通常被认为是间充质干细胞最好的来源。然而BMMSCs来源具有一定的局限性，除了疼痛和侵袭性隔离手术外，骨髓中MSCs比例较低也限制了其临床应用。此外，BMMSCs的数量和分化潜能呈年龄相关性下降。因此，寻找一个更丰富、更有效、更优越的MSCs来源非常重要。研究表明HUCMSCs经过体外特殊诱导可分化为心肌细胞、神经元样细胞、骨骼肌、内皮细胞和胰岛样细胞团等[6]。与BMMSCs相比，HUCMSCs在干细胞移植治疗方面具有多种优势：(1)脐带目前为医疗废弃物，更容易获得产妇及家属同意再回收利用。(2)易于收集，过程无创，保存时间长，感染风险低。(3)易于体外扩增，细胞的集落形成效率高[7]，表现出更高的增殖潜能，不会发生恶性转移[8]和畸胎瘤[9]。(4)有更高的分化能力和快速自我更新能力。(5)脐带组织的MSCs浓度比骨髓更高，研究显示骨髓中MSCs浓度为每毫升30～317 400个细胞，而脐带中MSCs浓度为每毫升10 000～4 700 000个细胞[10]。(6)免疫原性低，体外和体内具有良好的免疫抑制特性[11]，移植造成排斥和抗宿主病的风险较低。这些优势使得HUCMSCs具有广阔的应用前景。随着HUCMSCs研究的不断深入，将来有望取代其他干细胞成为未来干细胞抗衰老治疗的主体。
定义MSCs的最低一套标准[12]为：(1)具有塑料黏附性；(2)表达一组特定的细胞表面标志物(CD73、CD90、CD105)，以及不表达CD14、CD34、CD45和人类白细胞DR抗原(human leukocyte antigen DR，HLA-DR)；(3)体外可经诱导分化成脂肪细胞、软骨细胞和成骨细胞。与其他MSCs类似，HUCMSCs也满足这些标准。脐带沃顿胶(umbilical cord Wharton’s jelly，UCWJ)是最常获得HUCMSCs的部位[13]，与细胞黏附、增殖和免疫系统功能相关的基因都在UCWJ富集[14]。HUCMSCs具有长期自我更新、高扩展性和表型稳定性。长期体外培养可扩增到25代而无染色体改变，在第3代和第20代之间表现最佳的生物活性和稳定性[12]。Yusoff等[15]在体外培养HUCMSCs时发现具有成纤维细胞形态的贴壁细胞生长快速，能分化成脂肪细胞和骨细胞，且表达一系列标准的MSCs表面标志物CD29、CD73、CD90、CD106和主要组织相容性复合体Ⅰ类(major histocompatibility complex Ⅰ，MHC-Ⅰ)，进一步评估其免疫抑制活性表明，HUCMSCs以剂量依赖性方式抑制促分裂原活化的T淋巴细胞增殖。Lange-Consiglio等[16]研究表明，UCWJ来源的细胞具有典型的MSCs抗原分布，CD29、CD44、CD105、CD166、OCT-4和c-myc均呈阳性表达，CD34和CD14均为阴性。在诱导培养基中UCWJ来源细胞表现出多能性和MSCs标志物的特异性标记，并能分化成脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞和神经源性组织。
目前，研究表明在多种疾病模型中HUCMSCs移植具有促进组织再生修复的作用。Todeschi等[17]在小鼠颅骨缺损的模型中皮下植入HUCMSCs，发现在植入部位诱导血管形成显著增加，促进新骨的再生。Bakhtyar等[18]用人沃顿胶间充质干细胞(human Wharton’s jelly mesenchymal stem cells，HWJMSCs)，即HUCMSCs处理小鼠伤口，发现该细胞在体外和体内都能促进伤口愈合，在体内通过增强细胞的迁移和分化缩小伤口长度，在体外通过增强成纤维细胞迁移并诱导其分化成肌成纤维细胞缩短伤口愈合时间。Zheng等[19]通过移植HUCMSCs观察其对小鼠急性肝衰竭的疗效，发现肝细胞再生明显，炎症细胞浸润明显减少，肝功能得到改善，促进肝器官的修复。Yang等[20]对亚急性脊髓压迫损伤的兔模型静脉注射HUCMSCs，发现HUCMSCs通过向特定细胞类型分化，增强抗炎和抗星形胶质细胞的增生，抗凋亡和轴突保存来恢复脊髓功能。研究者不仅在小动物疾病模型上观察到疗效，也在大动物疾病模型上进行了测试。Zhang等[21]将HUCMSCs导入无细胞软骨细胞外基质(acellular cartilage extracellular matrix)定向支架构建复合体，植入关节软骨缺损的山羊中，发现该细胞具有良好的软骨分化能力和低免疫原性，在没有软骨诱导因子的存在下使缺陷软骨再生，保证软骨结构和功能的完整性。Li等[22]在犬慢性脊髓损伤模型中植入HUCMSCs-NeuroRegen支架，发现损伤的脊髓运动功能得到恢复，并产生内源性神经，在病变处有许多轴突纤维和髓鞘再生及突触形成，改善了脊髓的运动功能。Zhang等[23]通过移植HUCMSCs探讨其对猪急性心肌梗死后心肌再生及心脏修复的治疗作用，结果显示在梗死区注射的HUCMSCs可存活并分化为心肌细胞和内皮细胞，心肌灌注和功能改善，还可促进心肌干细胞分化。此外，HUCMSC移植可减少心肌的凋亡和纤维化，增强心肌存活能力，从而改善心室的重塑和功能。由此可见，通过HUCMSCs移植对多种组织和器官具有再生修复作用。
1943至1951年，菲律宾的Auredus Paracelsus首次提出通过输入活细胞使机体获得年轻化的细胞疗法，至今全世界己经有数百万人接受细胞疗法[24]。细胞疗法之一是干细胞疗法，衰老进程中干细胞不断缺失[25]，因此及时补充干细胞来抗衰老成为可能的途径。对于干细胞衰老机制目前主要包括端粒与端粒酶、氧化应激损伤和DNA损伤、沉默信息调节因子(silent information regulator，SIRT)家族蛋白、Wnt/β-catenin通路激活等方面[26,27]。我国2019年度"干细胞及转化研究"项目申报指南中，干细胞抗衰老的机制研究首次被写入指南。
端粒与端粒酶在维持基因组结构的完整、染色体的稳定、DNA的复制和细胞寿命等方面发挥重要作用。随MSCs分裂次数增多，端粒逐渐缩短，当端粒短缩到无法维持DNA复制和染色体稳定时就会诱发MSCs的衰老，最终诱发MSCs凋亡[28]。端粒酶过表达可抵抗端粒的磨损，在保证基因组稳定性的前提下无限延长细胞的复制周期。随着年龄的增长，MSCs端粒酶活性和MSCs数量逐渐降低[25]。将携带人端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase，hTERT)催化亚基基因的慢病毒载体导入HUCMSCs，发现转染的HUCMSCs过表达hTERT基因，并上调其端粒酶活性，HUCMSCs保持典型的形态学和MSCs特异性标记，HUCMSCs增殖显著，且延长其复制寿命而不影响其分化潜能[29]。另外，研究显示端粒酶活化剂TA-65能使端粒长度轻微延长，改善葡萄糖耐量、骨质疏松、表皮皮肤老化相关参数，而没有增加患癌风险[30,31]。
活性氧是细胞代谢的副产物，主要包括过氧化氢(H2O2)、超氧化物(O2－)和羟自由基(－OH)。低浓度活性氧是细胞增殖分化过程中的必备条件。当受到内源性或外源性有害刺激时引发的氧化应激损伤增多并产生大量的活性氧，高浓度活性氧可引发DNA或RNA、蛋白质和脂质损伤。随着年龄和体外传代次数增加，MSCs产生的活性氧逐渐增加，过量活性氧可使MSCs发生DNA损伤反应，增殖分化能力降低，使得MSCs发生衰老[32]。有研究显示，亚致死剂量的活性氧和电离辐射使DNA损伤进而导致HUCMSCs衰老的原因，可能是基因低表达水平使抗氧化酶活性降低所致，外源添加抗氧化剂增加HUCMSCs的抗氧化活性，可恢复HUCMSCs对氧化应激的抗性[32]。氧化应激损伤、端粒长度和DNA损伤是相互关联的，氧化应激导致DNA损伤和端粒缩短，而端粒长度的缩短反过来导致DNA损伤。Ebrahimi等[33]在HUCMSCs条件培养下将PC12细胞暴露于超氧化物中测量细胞活力和神经发生情况，并在3-硝基丙酸(3-NP)诱导损伤的大鼠模型中移植HUCMSCs，结果显示HUCMSCs可保护PC12细胞免于氧化应激，显著增强细胞活力和神经轴突生长。并且移植的HUCMSCs存活，胶质增生减少，运动协调和肌肉活动能力得到改善，伴随纹状体体积的增加以及纹状体树突长度的增加，氧化应激损伤被降低。Nimsanor等[34]将HUCMSCs衍生的外泌体注射到四氯化碳(CCl4)诱导的急性、慢性肝损伤和肝肿瘤小鼠模型中，发现肝细胞的氧化应激损伤和凋亡减少，有明显的抗氧化和保肝作用。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)是生物体内重要的抗氧化酶，是清除生物体内自由基的首要物质，体内SOD水平可作为判断衰老的一项指标。胡国栋等[35]在D-半乳糖所致的亚急性衰老小鼠模型中，通过尾静脉注射HUCMSCs后检测小鼠皮肤衰老相关指标，发现衰老小鼠的血清和皮肤丙二醛含量及SOD活力提高，皮肤形态结构改善。Cui等[36]在阿尔茨海默病(alzheimer’s disease，AD)小鼠模型中移植HUCMSCs，发现丙二醛水平降低，一氧化氮水平、SOD活性和神经元型一氧化氮合酶活性提高，提示HUCMSCs通过降低氧化应激和促进海马神经发生，可以改善AD小鼠的认知功能。和法莲[37]通过尾静脉移植HUCMSCs评价其对衰老小鼠老年性器官功能退变的治疗作用，发现衰老小鼠毛发趋于顺滑、光泽度提高、精神状态较好、活动力增强、饮食增加和大便异常情况减少等表观行为好转；体内SOD活力提高，器官组织结构退行性变化得到改善，衰老相关基因p16、p53的转录水平和蛋白表达水平下降，过氧化氢酶、SOD2的转录水平和蛋白表达水平上升，提示HUCMSCs可以通过促进机体自我修复能力来延缓或逆转组织器官的退行性变，从而发挥抗衰老的作用。此外，HUCMSCs移植后自噬水平增加，提示HUCMSCs也可以促进自噬，延缓或逆转老年性器官功能退变。
SIRT1是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的去乙酰化酶蛋白家族成员，也是一种抗氧化剂，可延缓氧化应激导致的MSCs衰老[38]。在MSCs中SIRT1蛋白水平及活性随体外传代次数增加而下降[39]。在MSCs中敲除SIRT1基因诱导细胞衰老并抑制细胞增殖，而在MSCs中过表达SIRT1逆转衰老表型并刺激细胞增殖。衰老相关蛋白P16和P21是SIRT1介导的抗衰老作用的下游效应物。SIRT1保护MSCs免于年龄相关的DNA损伤，诱导hTERT表达和增强端粒酶的活性，但不影响端粒长度。此外SIRT1还正向调节三肽肽酶1的表达，该酶可保护染色体末端免受DNA损伤[40]。Xia和Hou[41]研究表明多柔比星诱导的H9c2细胞处于衰老状态，当多柔比星与MSCs共培养时H9c2细胞的增殖和活力增加，p53和p16的表达降低，端粒长度和端粒酶活性也增加，提示MSCs可通过增加SIRT1表达，从而抑制miR-34a来恢复多柔比星诱导的衰老H9c2细胞。Wang等[42]研究也表明，SIRT1激活剂白藜芦醇可增强HUCMSCs移植在AD小鼠模型的治疗效果，增强神经发生和减少神经细胞凋亡，改善AD小鼠的学习和记忆能力。
Wnt/β-catenin信号通路通过参与调控干细胞的增殖、分化及凋亡来控制与细胞分化相关的生物化学过程。Wnt/β-catenin信号通路通过增加细胞活性氧诱导MSCs衰老[43]。在活性氧诱导的MSCs衰老中，Wnt/β-catenin信号被激活，伴随DNA损伤应答的分子标志物p16、p53和p21的表达增加[44]。研究表明，在传代培养期间经典Wnt家族表达水平随着HUCMSCs的老化而降低，通过用Wnt3a条件培养基或糖原合成酶激酶3β抑制剂激活Wnt通路，延缓HUCMSCs衰老的进程，使衰老因子p53和pRb减少，端粒酶活性增加；而抑制Wnt途径则加速了HUCMSCs的衰老[45]。在HUCMSCs分化为成骨细胞的过程中，miR-132表达水平上调，通过抑制β-catenin表达，减弱Wnt/β-catenin信号传导途径活性，抑制HUCMSCs分化[46]。
目前，国家批准的干细胞临床试验研究涉及的疾病包括心肌梗死、小儿脑性瘫痪、卵巢早衰、银屑病、间质性肺病、膝骨关节炎、帕金森病、年龄相关性黄斑变性、溃疡性结肠炎、骨修复、空鼻综合征、不孕症、狼疮性肾炎、视神经脊髓炎、薄型子宫内膜、失代偿性乙型肝炎肝硬化、半月板损伤等；涉及的细胞种类包括胚胎干细胞衍生细胞、神经干细胞、各种来源的间充质干细胞(脂肪、脐带、骨髓)、支气管基底细胞；涉及的治疗方式包括细胞单独使用、细胞联合材料使用、细胞联合药物使用等。其中HUCMSCs临床试验研究项目包括：(1)HUCMSCs治疗银屑病的临床研究(中南湘雅医院)；(2)随机、阳性对照试验评估HUCMSCs注射液治疗中、重度斑块型银屑病患者的有效性和安全性研究(北京大学第三医院)；(3)胶原膜复合HUCMSCs治疗子宫内膜瘢痕化、薄型内膜所致不孕症的临床研究和HUCMSCs治疗狼疮性肾炎的随机盲态平行对照多中心研究(南京大学医学院附属鼓楼医院)；(4)HUCMSCs复合胶原支架治疗薄型子宫内膜的临床试验研究(浙江大学医学院附属邵逸夫医院)；(5)HUCMSCs治疗失代偿期乙型肝炎肝硬化的临床研究(武汉中南医院)；(6)HUCMSCs治疗神经病理性疼痛临床研究(华中科技大学同济医学院附属协和医院)等。关于HUCMSCs新药申报药物包括注射用HUCMSCs和HUCMSCs抗肝纤维化注射液。HUCMSCs的研究中备受关注的是其伦理问题[47]，例如其中最重要的是脐带血采集问题。脐带对于产妇和新生儿而言属于废弃物，但又是其私人财物，而且属于遗传资源，受到法律的保护。因此，对于HUCMSCs研究治疗过程中存在的伦理问题需要我们进一步的深入探讨，将产妇、新生儿及患者的合法权益受损程度降至最低水平，从而造福于更多的需要HUCMSCs治疗的患者。
HUCMSCs治疗从实验室走向临床是技术成熟的必然趋势。HUCMSCs因来源广泛，易于收集(可变废为宝)，创伤少和免疫原性低等优点，其应用潜力巨大。目前，HUCMSCs在各种动物实验模型中已被证实有抗衰老或者治疗衰老性疾病的作用，相信随着相应的动物实验和临床研究的不断深入，技术和伦理上提供更好的支持，HUCMSCs移植将会为未来抗衰老细胞的治疗或者衰老性疾病的治疗提供新方向。
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