Abstrakt

problematika hojení ran získaly hluboký vědecký zájem, stejně jako vzestupu finančních trzích investoval v románu hojení terapie. V této oblasti bylo dosaženo velkého pokroku, ale není překvapením, že nedávné úspěchy odhalují nové výzvy, které je třeba řešit. Pokud jde o hojení ran, velké tkáňové deficity, vzpurné rány a patologická tvorba jizev zůstávají jen několika z našich nejnaléhavějších výzev. Kmenové buněčné terapie byl vyhlášen jako slibný prostředek, který překoná stávající omezení v ráně řízení. Široký diferenciační potenciál kmenových buněk povoluje možnost obnovení ztracené nebo poškozené tkáně, zatímco jejich schopnost immunomodulate rány postel z dálky naznačuje, že jejich klinické aplikace nemusí být omezena pouze na přímou tvorbu tkáně. Klinická užitečnost kmenových buněk byla prokázána v desítkách klinických studií v léčbě chronické rány, ale existuje naděje, že další aspekty péče o rány zdědí podobný přínos. Vědecký výzkum léčby ran na bázi kmenových buněk oplývá výzkumnými laboratořemi po celém světě. Zatímco jejich klinické aplikace zůstávají v plenkách, díky velké investici do jejich potenciálu je pro plastické chirurgy užitečné přezkoumat, pokud jde o jejich současné i budoucí aplikace.

1. Úvod

hojení ran je složitý proces zahrnující několik fyziologických mechanismů koordinovaných v účinné reakci na poškození tkáně. Tento proces se skládá z několika odlišných, ale překrývajících se fází-hemostázy a zánětu, proliferace a zrání-které za normálních okolností vedou k tvorbě jizev . Normální Oprava rány existuje podél spektra výsledků vyplývajících z poškození tkáně. Ty se pohybují od patologické underhealing (tj. chronické nonhealing ran) patologické overhealing (tj. hypertrofické jizvy a keloidy), s fyziologické hojení, včetně jizev, někde mezi. Zájem o výzkum hojení ran stále roste, s velkým zaměřením nyní zaměřeným na terapie kmenovými buňkami k překonání omezení v našich současných postupech léčby ran. K dnešnímu dni, 45 publikovaných klinických studií a dalších 33 studiích s dosud nepublikované výsledky prozkoumal potenciál pro kmenové buňky při řešení patologických underhealing (nepublikované údaje). Tedy, současný výzkum naznačuje, že se blížíme k bodu zvratu v proliferaci kmenových buněk terapie a použití těchto terapií k léčbě onemocnění. Jako takový, základní porozumění hojení ran a nedávný pokrok v terapiích kmenových buněk jsou důležitými tématy pro plastické chirurgy. Zde diskutujeme neuspokojenou potřebu, kterou mají terapie kmenovými buňkami řešit, stejně jako jejich současné použití při hojení ran.

2. Význam hojení ran

většina tkání těla je schopna podstoupit opravu rány po narušení integrity tkáně . Péče o rány je hlavní součástí chirurgické praxe jak akutně (např. trauma, popáleniny a chirurgie), tak chronicky (např., dekubitů, bércových vředů a diabetických vředů). Po uzdravení tyto rány vedou k tvorbě jizev. Na péči o rány jsou každoročně věnovány desítky miliard dolarů . Chronické rány jsou obzvláště nákladné, protože často vyžadují dlouhodobé sledování s opakovanými zásahy a jsou nezřídka rezistentní na terapii; odhaduje se, že 1% populace v dané době trpí nějakou formou chronické rány .

patologická tvorba jizev, včetně hypertrofických jizev a keloidů, je dalším problémem při léčbě ran. Tyto podmínky mohou být obzvláště problematické vzhledem k možnosti trvalé funkční ztráty a sociální stigmatu . Hypertrofické jizvy jsou obvykle výsledkem traumatických poranění nebo popálenin, ale chirurgie je další potenciální příčinou. V daném roce 1 milion popálenin a 2 miliony pacientů zraněných při nehodách motorových vozidel vyžadujících léčbu, kromě milionů dalších podstupujících invazivní chirurgii, demonstrují naléhavou povahu tohoto problému .

3. Normální fyziologie hojení ran

jak již bylo uvedeno výše, hojení ran se skládá ze tří překrývajících se fází: (1) zánětlivá fáze, (2) fáze proliferace a (3) fáze zrání. Je důležité pochopit fyziologické mechanismy hojení ran, aby plně ocenit abnormality hlubších různé hojení ran poruchy s cílem poskytnout adekvátní léčbu. Zde stručně shrneme základní fyziologické mechanismy hojení ran. Pro podrobnější diskuse o těchto procesech nad rámec tohoto článku, zejména pokud jde o zánětlivou reakci, čtenář je zaměřen na recenze Gurtner et al. a Eming et al. .

poranění tkáně iniciuje odpověď na hojení ran, počínaje hemostázou rány jako součást zánětlivé fáze. Ačkoli je průtok krve omezen na samotném lůžku rány, sousední tkáň podléhá zvýšené perfuzi. Zánětlivé mediátory jsou produkovány ve shodě s koagulační kaskádou a vytvářejí lokální koncentrační gradient. To podporuje tvorbu fibrinové matrice a chemotaxi neutrofilů. Jakmile je matrice vytvořena, vstupují neutrofily, aby odstranily mrtvou tkáň a pokusily se kontrolovat případné infekce vrozenou imunitní odpovědí. Tyto migrující buňky další zesílení zánětlivé odpovědi, sami uvolnění prozánětlivých cytokinů, což přispívá k otoku a zarudnutí kůže často pozorovány v počátečních fázích hojení ran. Tato fáze obvykle trvá 4 dny .

V následné šíření fáze, zánětlivé buňky uvolňují různé cytokiny a další signální molekuly zaměstnat fibroblasty a cévní endotelových buněk do místa zranění. Fibroblasty produkují kolagen, který začíná nahrazovat prozatímní fibrinovou matrici a zvyšuje mechanickou pevnost rány. Část těchto fibroblastů se také diferencuje na myofibroblasty, které přispívají k mechanické kontrakci rány. Migrující endotelové buňky přispívají k revaskularizaci lůžka rány pomocí angiogeneze, což pomáhá podporovat vyvíjející se granulační tkáň. Keratinocyty také migrují na okraj rány, kde podléhají proliferaci . Poznámky, zničení vlasových folikulů ve větších ran koreluje s pomalejším reepithelialization sekundární ztráty z epidermálních kmenových buněk výklenek, potenciálně vyžadující kožní štěp umístění dosáhnout úplné uzavření .

během konečné fáze zrání se rána podrobí reepitelizaci. Tvorba jizev umožňuje uzdravené tkáni získat zpět některé, ale ne všechny, původní pevnosti v tahu. Elasticita tkáně je však dramaticky snížena sekundárně po rozsáhlé fibróze. Vzhledem k tomu, že intenzita hojivé odpovědi deeskaluje ve svých konečných stádiích, většina endoteliálních buněk, makrofágů a myofibroblastů lokalizovaných na lůžku rány podléhá apoptóze. Zbývající jizva bude v následujících měsících až letech pokračovat v další přestavbě .

4. Cíle pro nové buněčné terapie

ve Spojených státech se odhaduje, že náklady na léčbu chronické rány přesáhnou 25 miliard dolarů ročně . Kromě toho tyto terapie často podporují suboptimální klinické výsledky a označují chronické rány jako důležité cíle pro nové terapie. Zatímco normální hojení ran výsledky v benigní tvorbě jizev, zhoršené hojení ran procesy mohou vyústit v esteticky nevzhlednými jizev nebo i chronické nonhealing rány. Faktory zřejmé, ničit fyziologické hojení patří stárnutí, sedavý způsob života (vyznačuje malou nebo žádnou fyzickou aktivitu), psychický stav a kouření . Chronické chorobné stavy sdílejí mnoho modifikovatelných rizikových faktorů spojených se špatným hojením ran a jsou samy překážkami fyziologického procesu hojení. Například diabetes je pevně spojen s chronickou tvorbou rány ve formě nehojících se diabetických vředů . Nekontrolovaný diabetes narušuje migraci neutrofilů a makrofágů do lůžka rány. Výsledné zpoždění hojení ran předurčuje pacienty k rozvoji vředů diabetické nohy, které se zase mohou nakazit a vyžadovat chirurgický debridement nebo amputaci. Lepší pochopení patofyziologie chronické rány může pomoci identifikovat potenciální role terapií založených na kmenových buňkách u nehojících se ran . Cílem je nakonec vytvořit nákladově efektivní terapie, které mohou výrazně zlepšit kvalitu života pacientů trpících těmito stavy. Kmenové buňky nabízejí slibný prostředek k tomuto účelu s potenciálem léčit vzpurné rány a zabránit nákladným následkům prodloužených tkáňových defektů .

na opačném konci spektra hojení ran existuje patologické přehřátí, rozdělené na hypertrofické zjizvení a tvorbu keloidů. Hypertrofické jizvy je přičítáno jejich poškození šíření zánětlivé buňky a fibroblasty během hojení rány, dále přispívá k vysoce neorganizované maticové struktuře, které je charakteristické jizvy . Hypertrofické zjizvení v současné době nemá žádný známý lék; dostupné léčby jsou nedostatečné při omezování tvorby jizev nebo snižování výsledné estetické vady. Nadměrné zánět je charakteristický pro oba hypertrofických jizev a chronických ran postele, druhý z nich byl úspěšně podařilo pomocí kmenových buněk imunomodulace . Kmenové buňky tak mohou nabídnout prostředek k řešení patologického zjizvení .

keloidní tvorba je extrémnějším příkladem patologické tvorby jizev. Často považovány za oddělené od hypertrofické jizvy, pokud jde o jejich patofyziologii, histologické analýzy navrhl, že keloidy může ve skutečnosti být jednoduše dále podél patologického spektra . Keloidy se vyskytují pouze u lidí po poškození tkáně, ne neobvykle v důsledku chirurgických řezů . Hypertrofické zjizvení i tvorba keloidů zahrnují abnormálně vysoké úrovně tvorby jizev. Hypertrofické jizvy však zůstávají omezeny na okraje rány, zatímco keloidy napadají za nimi do okolní normální tkáně. Při hypertrofické jizvy je příznačné vymizí v průběhu času, keloidy může růst roky a skoro nikdy spontánně vymizet, což vede k více zničující kosmetické výsledky . Ve skutečnosti množství vytvořené jizvy nekoreluje se závažností počátečního zranění, takže i malé rány mohou mít značné estetické důsledky. Přestože se pokusilo zvládnout keloidní zjizvení více typů léčby, žádný nepřinesl významné výsledky . Experimentální studie však prokázaly schopnost kmenových buněk inhibovat růst keloidů a otevírají nové cesty pro jejich léčbu . Bohužel tato zjištění nejsou univerzální a je zapotřebí další studie, pokud jde o aplikace kmenových buněk pro správu keloidů .

5. Tradiční Přístupy k Hojení ran

V případech, kdy tkáň vady vyžadují umístění kožní štěp, chirurgové mohou v ideálním případě využívat autologní tkáně, výše uvedené nutnosti imunosuprese. Sklizeň autograftu však není možná ve všech případech, například kvůli nedostatečné tkáni pro sklizeň. Ve scénářích, které vylučují štěpování autologní tkáně, mohou chirurgové využít kadaverickou tkáň, nazývané aloštěpy nebo prasečí xenografty. To jsou jen zdržovací opatření k zajištění růstových faktorů na hojení ran, jako imunitní odpověď hostitele způsobuje transplantátu v týdnech po implantaci .

dostupnost tkáně a imunogenita štěpu jsou běžné problémy ve všech oblastech transplantační medicíny. Kožní štěpování není výjimkou, urychluje vývoj tkáňových náhražek kůže. První z těchto náhrad byly známé jako produkty na bázi matrice,které se dnes používají. Tyto matrice jsou implantovány do lůžka rány, kde fungují jako šablony pro revaskularizaci a dermální regeneraci. Úplné hojení ran však stále vyžaduje epidermální zakrytí neodermis kožním štěpem nebo chlopní, i když některé malé vady mohou být ponechány k uzdravení sekundárním záměrem . Novější vývoj v tkáňovém inženýrství vedl k aplikaci buněčných terapií. Na rozdíl od sklizně oblastí dermální tkáně lze nyní keratinocyty sklízet od pacientů. Následná expanze ex vivo tak umožňuje produkci autologního epidermálního štěpu. Výrobek je však velmi tenký, křehký a relativně nákladný na výrobu .

je zřejmé, že došlo k několika pokusům o zvýšení účinnosti technik hojení ran a vytvoření účinnějších a spolehlivějších štěpů. Bohužel, i ty pokročilé inženýrství kožní náhrady prokázat omezení; jsou velmi drahé, nejsou vždy účinné, a nemůže zcela rozpusťte kožních adnex. Jiný přístup k hojení ran, proto je třeba překonat stávající překážky, které v ráně terapie a vytvořit více pragmatické a efektivní řešení pro hojení související otázky . Pluripotentní povaha kmenových buněk naznačuje, že mohou poskytnout prostředek k překonání alespoň některých z výše uvedených překážek optimálního řízení rány.

6. Kmenové buňky a hojení ran

aby mohly být buňky klasifikovány jako kmenové buňky, musí splňovat dvě kritéria: musí mít prodlouženou schopnost sebeobnovy a musí být schopni použít asymetrické dělení k diferenciaci na specializovanější typy buněk . Tyto vlastnosti poskytují sadu jedinečných schopností v těchto typech buněk, které by mohly být využity k podpoře procesu regenerace a opravy poškozené pokožky. Studie využívající modely poškození tkáně ukázaly, že závažné poranění vedlo k dramatickému zvýšení počtu kmenových buněk cirkulujících v krvi . Dále bylo zjištěno, že cirkulující buňky odvozené od kostní dřeně se lokalizují do místa rány, kde se také diferencují na nehematopoetické kožní struktury . Další taková zjištění také naznačují, že kmenové buňky hrají velmi důležitou roli v procesu hojení ran a pro lepší pochopení základních mechanismů jsou zapotřebí další studie. Tento oddíl se bude zabývat pozoruhodné nálezy v hojení ran různých aplikací kmenových buněk populace (Obrázek 1), jako mezenchymální kmenové buňky (MSCs) (včetně tukové odvozené od kmenových buněk (ASCs)), indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSCs), a embryonálních kmenových buněk (Esc).

většina studií zaměřených na potenciál kmenových buněk v souvislosti s hojením ran terapie zaměřené na dospělé kmenové buňky, konkrétně mezenchymální kmenové buňky (MSCs). MSc jsou schopni self-obnovit a ukázaly velký příslib pro léčbu poškození tkáně zahrnující imunitní odpovědi . MSc lze sklízet z kostní dřeně pacienta, tukové tkáně, pupečníkové krve a dermis . Autologní MSc se nejen vzdávají rizika odmítnutí transplantace, ale také se rozumí, že inhibují zánětlivou odpověď na lůžku rány, což může jinak narušit účinnou regeneraci tkání . Kromě toho, kostní dřeně odvozené MSCs (BM-MSCs) bylo prokázáno, syntetizovat vyšší množství kolagenu, růstových faktorů, a angiogenní faktory, než je nativní dermální fibroblasty, což naznačuje, že by mohly být implantovány do rány zvýšit rychlost hojení bez vyvolávající imunitní reakci. Jedna případová studie také prokázala uzavření vzpurného vředu diabetické nohy léčeného kombinací přímých BM-MSc na lůžko rány pokryté biograftem složeným z autologních kožních fibroblastů v kolagenové membráně . Infekce také často komplikuje léčbu chronických ran, což představuje další problém, který je třeba při léčbě řešit. Dalším mechanismem, kterým mohou MSc zvýšit odpověď na hojení ran, je sekrece antimikrobiálních peptidů . Při cílení na řadu aspektů hojení ran tak kmenové buňky nabízejí univerzální léčbu ran, které nereagovaly na standardní péči.

ačkoli MSc prokázaly konzistentní schopnost zvýšit rychlost hojení ran v různých scénářích, stále existují určité nevýhody těchto terapií. Například MSc jsou praktickým přístupem k malým ranám, ale je nemožné kultivovat dostatek MSc, aby se aplikovaly na velkou ránu. Kromě toho populace MSc u lidí v průběhu času klesá, což možná eliminuje možnost použití autologních MSC pro léčbu u starších generací . Zatímco bylo pozorováno, že MSc přímo přispívají k hojení ran transdiferenciací do keratinocytů, obecně se předpokládá, že parakrinní mechanismy hrají mnohem důležitější roli . Proto může být pro klinickou účinnost vyžadováno méně buněk, obcházet potenciální omezení terapií ran na bázi kmenových buněk a udržovat je jako vzrušující způsoby ke zlepšení hojení ran.

zatímco chirurgická manipulace a sklizeň tukové tkáně jsou obecně jednoduché postupy, samotná tkáň je složitá. Tuková tkáň se skládá z množství buněk včetně adipocytů, buněk hladké svaloviny, fibroblasty, makrofágy, endoteliální buňky a lymfocyty, stejně jako tukové odvozené od kmenových buněk (ASCs). Asc jsou třídou MSc, pluripotentních buněk schopných diferencovat se na kost, chrupavku, šlachu a tuk za předpokladu, že jsou kultivovány za nezbytných podmínek. Sdílejí téměř stejný potenciál s MSc diferencovat se na buňky mezodermálního původu, ale jsou preferovány kvůli jejich široké dostupnosti a relativní snadnosti sběru dostatečného počtu buněk . Bylo prokázáno, že asc podporují proliferaci lidských dermálních fibroblastů v místě rány sekrecí parakrinních faktorů, které nakonec zvyšují rychlost hojení ran . Další studie ukázala, že asc za hypoxických podmínek způsobených zánětem významně zvyšují hladiny syntézy kolagenu a pomáhají snižovat oblast rány. Další studie ukázala, že toho bylo dosaženo upregulací imperativních růstových faktorů, vaskulárního endoteliálního růstového faktoru (VEGF) a základního fibroblastového růstového faktoru (bFGF). Takové důkazy prokazují obrovský příslib asc v budoucím řízení ran.

vzniklo několik problémů, pokud jde o použití MSC a ASC. Malá populace dostupných MSC a nutnost bolestivých invazivních postupů sklizně byly částečně obcházeny přechodem na aplikace ASC . Zůstává však řada dalších otázek. Účinnost jakékoli buněčné terapie vyžaduje, aby byl podán dostatečný počet buněk, což často vedlo k ex vivo expanzi MSC pro klinické použití. To může být problematické, protože dlouhodobé kultury může mít za následek epigenetické a fenotypové změny v buněčných populací, potenciálně ovlivňující účinnost nebo horší, což vede k škodlivé mutace . Bioreaktory s uzavřeným systémem nabízejí prostředky ke zvýšení počtu buněk a snížení variability kultivačních metod, což zvyšuje potenciál pro rozsáhlé klinické použití . Vzhledem k výzvám kultury kmenových buněk ex vivo, kromě zjištění, že po transplantaci je přežití MSC často krátkodobé a jejich účinky přechodné, jsou také velmi vyhledávané technologie ke zlepšení jejich účinnosti . Došlo k různým vývojům, které zlepšují způsoby podávání buněk, například ve sprejích fibrinu . Posílení místního mikroprostředí transplantovaných kmenových buněk, například tím, že očkování je v lidské kolagenu matice , poskytuje prostředky pro optimalizaci mobilní doručení a přežití. Vylepšení kmenových buněk není omezeno na kolagenové lešení, protože hydrogely a hedvábná fibroinová lešení také zlepšily vlastnosti hojení ran současně podávaných kmenových buněk . Nové metody cílení kmenových buněk na požadované tkáně s označením peptidu nebo protilátky by mohly potenciálně eliminovat potřebu přímého podání . Využití potenciálu kmenových buněk při hojení terapie vytvořila obrovské příležitosti pro inovace, jak z hlediska základního vědeckého výzkumu a komercializaci nových technologií. Jako buněčné terapie nadále optimalizován, více aplikací z dospělých kmenových buněk, jako jsou ASCs a Msc bude vyvinut pro použití plastických chirurgů.

ohromující proliferační kapacity embrya navrhl, že studium embryonálních kmenových buněk (Esc), může dále naše chápání regenerační procesy a poskytnout optimální ošetření rány. Zatímco embrya byla původně považována za klíčový zdroj pluripotentních kmenových buněk, Esc byly ve Spojených státech tématem extrémní diskuse a přístup k těmto buňkám byl v minulosti velmi omezený. ESC jsou odvozeny z vnitřní buněčné hmoty blastocysty, preimplantačního embrya v rané fázi. Esc tedy nelze odebrat od pacienta a jejich přímé použití by kromě etických obav spojených s embryonální tkání zahrnovalo všechny nevýhody aloštěpu . Zatímco samotné Esc jsou méně vhodné pro roubování tkání, poskytují potenciál rozšířit fyziologické hojivé procesy pomocí parakrinních mechanismů. Například endotelové buňky odvozené od ESC vylučují řadu cytokinových faktorů vedoucích ke zlepšení hojení ran .

a Konečně, na památku studie provedená Takahashi a Yamanaka v roce 2006 popsal metodu přeprogramování dospělých buněk zpět do embryonálního stavu, nazývá indukované pluripotentní kmenové buňky (iPSCs) . Tyto buňky otevřely mnoho nových cest ve výzkumu kmenových buněk obcházením etické diskuse a problémů spojených s exogenním odmítnutím tkáně. Jedna studie se podařilo přeprogramovat dermální fibroblasty do iPSCs, bez použití virových vektorů, což znamenalo, že iPSCs může být odvozena pro nemocné a/nebo u starších pacientů, kteří s největší pravděpodobností potřebovat více . Další studie ukázala, že fibroblasty odvozené od iPSC vykazují zvýšenou produkci proteinů extracelulární matrice, které by také mohly zvýšit rychlost hojení ran . Role iPSCs se stále rozšiřuje v mnoha oblastech výzkumu, od základních po translační vědy. V roce 2014, Japonský tým se stal prvním spravovat iPSCs klinicky, v tomto případě pro léčbu věkem podmíněné makulární degenerace. Spolehlivé terapie založené na iPSC pro léčbu ran však zůstávají nepolapitelné, částečně i nadále čekáme na výsledky jejich první klinické aplikace. Správa nediferencovaný karcinom pluripotentní buňky s sebou nese riziko následného vzniku nádoru, a tedy dlouhodobé předběžné studie musí být provedena před jakoukoliv zbraní z hlediska jejich klinického použití. Musíme i nadále rozšiřovat naše chápání toho, jak mohou modulovat ránu prostředí, a zároveň zlepšit naši schopnost manipulovat s nimi in vitro a in vivo. Tímto způsobem můžeme efektivněji překládat naše objevy z lavice na postel.

Otázky týkající se hojení ran prokazují významnou zátěž pro systém zdravotní péče jako celek, ale jejich negativní psychosociální dopad na pacienty je nezměrná. Tradiční technologie hojení ran, včetně roubování kůže a tkáňových náhražek kůže, zůstávají v klinické praxi neocenitelné. Rostoucí prevalence vzpurných ran však jde ruku v ruce se vzestupem chronických onemocnění. Je proto nezbytné, aby starší techniky řízení ran byly rozšířeny o nové buněčné terapie, které řeší omezení současné léčby.

střet zájmů

autoři prohlašují, že neexistuje žádný střet zájmů ohledně zveřejnění tohoto příspěvku.

autorský příspěvek

Michael s.Hu, Tripp Leavitt a Samir Malhotra přispěli k této práci stejně.