abstrakt

spørgsmål omkring sårheling har fået dyb videnskabelig interesse såvel som blomstrende finansielle markeder investeret i nye sårterapier. Der er gjort store fremskridt på området, men det er ikke overraskende at opdage, at de seneste succeser afslører nye udfordringer, der skal løses. Med hensyn til sårheling forbliver store vævsunderskud, genstridige sår og patologisk ardannelse kun nogle få af vores mest presserende udfordringer. Stamcellebaserede terapier er blevet indvarslet som et lovende middel til at overgå de nuværende begrænsninger i sårhåndtering. Stamcellernes brede differentieringspotentiale muliggør muligheden for at gendanne mistet eller beskadiget væv, mens deres evne til at immunmodulere sårlejet langtfra antyder, at deres kliniske anvendelser ikke behøver at være begrænset til direkte vævsdannelse. Den kliniske nytte af stamceller er blevet demonstreret på tværs af snesevis af kliniske forsøg i kronisk sårterapi, men der er håb om, at andre aspekter af sårpleje vil arve lignende fordel. Videnskabelig undersøgelse af stamcellebaseret sårterapi bugner i forskningslaboratorier rundt om i verden. Mens deres kliniske applikationer forbliver i deres barndom, den tunge investering i deres potentiale gør det til et værdifuldt emne at gennemgå for plastikkirurger, hvad angår både deres nuværende og fremtidige applikationer.

1. Introduktion

sårheling er en kompleks proces, der involverer flere fysiologiske mekanismer koordineret i et effektivt svar på vævsskade. Denne proces består af flere forskellige, men overlappende faser—hæmostase og betændelse, proliferation og modning—der resulterer i ardannelse under normale omstændigheder . Normal sårreparation findes langs et spektrum af resultater som følge af vævsskade. Disse spænder fra patologisk underhealing (dvs.kroniske, ikke-helende sår) til patologisk overhealing (dvs. hypertrofiske ar og keloider) med fysiologisk heling, inklusive ardannelse, et sted imellem. Interessen for sårhelingsforskning fortsætter med at vokse, med meget fokus nu rettet mod stamcelleterapier for at overvinde begrænsninger i vores nuværende sårhåndteringspraksis. Til dato har 45 offentliggjorte kliniske undersøgelser og yderligere 33 forsøg med endnu ikke offentliggjorte resultater undersøgt potentialet for stamceller til adressering af patologisk underhealing (upublicerede data). Den nuværende forskning tyder således på, at vi nærmer os et vendepunkt i spredningen af stamcellebaserede terapier og brugen af disse terapier til behandling af sygdom. Som sådan er en grundlæggende forståelse af sårheling og de nylige fremskridt inden for stamcelleterapier vigtige emner for plastikkirurger. Heri diskuterer vi det udækkede behov, som stamcelleterapier påstås at adressere, såvel som deres nuværende anvendelser til sårheling.

2. Betydningen af sårheling

størstedelen af kroppens væv er i stand til at gennemgå sårreparation efter en forstyrrelse af vævsintegriteten . Sårpleje er en vigtig komponent i kirurgisk praksis både akut (f. eks. traumer, forbrændinger og kirurgi) og kronisk (f. eks., tryksår, venøse sår og diabetiske sår). Efter heling resulterer disse sår i ardannelse. Tusindvis af milliarder dollars er afsat til sårpleje hvert år . Kroniske sår er især dyre, da de ofte kræver langvarig opfølgning med gentagne indgreb og ikke er usædvanligt resistente over for terapi; Det anslås, at 1% af befolkningen til enhver tid lider af en eller anden form for kronisk sår .

patologisk ardannelse, herunder hypertrofiske ar og keloider, er en anden bekymring i sårhåndtering. Disse forhold kan være særligt problematiske i betragtning af muligheden for permanent funktionstab såvel som social stigma . Hypertrofiske ar er normalt resultatet af traumatiske skader eller forbrændinger, men kirurgi er en anden potentiel årsag. I et givet år viser de 1 millioner forbrændinger og 2 millioner patienter, der er skadet i motorkøretøjsulykker, der kræver behandling, ud over de millioner af andre, der gennemgår invasiv kirurgi, den presserende karakter af dette problem .

3. Normal Sårhelingsfysiologi

som tidligere nævnt består sårheling af tre overlappende trin: (1) inflammatorisk fase, (2) proliferationsfase og (3) modningsfase. Det er vigtigt at forstå de fysiologiske mekanismer ved sårheling for fuldt ud at værdsætte de abnormiteter, der ligger til grund for forskellige sårhelingsforstyrrelser for at give tilstrækkelig behandling. Her vil vi kort opsummere de grundlæggende fysiologiske mekanismer for sårheling. For mere dybtgående diskussioner af disse processer uden for dette papir, især med hensyn til det inflammatoriske respons, læseren er rettet mod anmeldelser af Gurtner et al. og Eming et al. .

vævsskade initierer sårhelingsresponsen, der begynder med sårhemostase som en del af den inflammatoriske fase. Selvom blodgennemstrømningen er begrænset ved selve sårlejet, udsættes det tilstødende væv for øget perfusion. Inflammatoriske mediatorer produceres i samspil med koagulationskaskaden, hvilket genererer en lokal koncentrationsgradient. Dette fremmer dannelse af fibrinmatricer og neutrofil kemotaksi. Når matricen er etableret, kommer neutrofiler ind for at fjerne det døde væv og forsøge at kontrollere eventuelle infektioner via det medfødte immunrespons. Disse migrerende celler forstærker yderligere det inflammatoriske respons og frigiver selv proinflammatoriske cytokiner, hvilket bidrager til hævelse og erytem, der ofte observeres i de indledende stadier af sårheling. Denne fase varer typisk i 4 dage .

i den efterfølgende proliferationsfase frigiver inflammatoriske celler forskellige cytokiner og andre signalmolekyler for at rekruttere fibroblaster og vaskulære endotelceller til skadestedet. Fibroblaster producerer kollagen, som begynder at erstatte den midlertidige fibrinmatrice, hvilket øger sårets mekaniske styrke. En del af disse fibroblaster differentierer sig også til myofibroblaster, som bidrager til mekanisk sårkontraktion. Migrerende endotelceller bidrager til revaskularisering af sårlejet via angiogenese, hvilket hjælper med at understøtte det udviklende granulationsvæv. Keratinocytter migrerer også til sårkanten, hvor de gennemgår proliferation . Bemærk, ødelæggelse af hårsækkene i større sår korrelerer med langsommere reepithelialisering sekundært til tabet af den epidermale stamcelleniche, hvilket potentielt nødvendiggør placering af hudtransplantat for at opnå fuldstændig lukning .

det er i den endelige modningsfase, at såret gennemgår reepithelialisering. Ardannelse gør det muligt for det helede væv at genvinde noget, men ikke alle, af dets oprindelige trækstyrke. Imidlertid reduceres vævselasticitet dramatisk sekundært til omfattende fibrose. Da intensiteten af helingsresponset deeskaleres i dets sidste trin, gennemgår størstedelen af endotelcellerne, makrofager og myofibroblaster lokaliseret til sårlejet apoptose. Det resterende ar vil fortsætte med at gennemgå yderligere ombygning i de efterfølgende måneder til år .

4. Mål for nye cellebaserede terapier

i USA anslås omkostningerne ved kronisk sårhåndtering alene at overstige 25 milliarder dollars om året . Desuden er disse terapier ofte støttende med suboptimale kliniske resultater, der markerer kroniske sår som vigtige mål for nye terapier. Mens normal sårheling resulterer i godartet ardannelse, kan forringede sårhelingsprocesser resultere i æstetisk utilfreds ardannelse eller endda et kronisk, ikke-helende sår. Faktorer, der forstås for at forstyrre fysiologisk helbredelse, inkluderer aldring, stillesiddende livsstil (kendetegnet ved ringe eller ingen fysisk aktivitet), psykologisk status og rygning . Kroniske sygdomstilstande deler mange af de modificerbare risikofaktorer forbundet med dårlig sårheling og er i sig selv hindringer for den fysiologiske helingsproces. For eksempel er diabetes tæt forbundet med kronisk sårdannelse i form af ikke-helende diabetiske mavesår . Ukontrolleret diabetes forringer neutrofil-og makrofagmigrationen til sårlejet. Den resulterende forsinkelse af sårheling disponerer patienter for at udvikle diabetiske fodsår, som igen kan blive inficeret og nødvendiggøre kirurgisk debridering eller amputation. En bedre forståelse af kronisk sårpatofysiologi kan hjælpe med at identificere potentielle roller for stamcellebaserede terapier i ikke-helende sår . I sidste ende er målet at skabe omkostningseffektive terapier, der kan forbedre livskvaliteten betydeligt for patienter, der lider af disse tilstande. Stamceller tilbyder et lovende middel til dette formål med potentialet til at helbrede genstridige sår og forhindre dyre følgevirkninger af langvarige vævsdefekter .

i den modsatte ende af sårhelingsspektret eksisterer patologisk overhealing, opdelt i hypertrofisk ardannelse og keloiddannelse. Hypertrofisk ardannelse tilskrives den dysregulerede proliferation af inflammatoriske celler og fibroblaster under sårhelingsprocessen, hvilket yderligere bidrager til en stærkt uorganiseret matricsstruktur, der er karakteristisk for ar . Hypertrofisk ardannelse har i øjeblikket ingen kendt kur; tilgængelige behandlinger er utilstrækkelige til at begrænse ardannelse eller mindske den resulterende æstetiske defekt. Overdreven betændelse er et kendetegn ved både hypertrofisk ardannelse og kroniske sårlejer, hvoraf sidstnævnte er blevet forvaltet med succes gennem stamcelleimmunmodulation . Stamceller kan således tilbyde et middel til at tackle patologisk ardannelse .

Keloiddannelse er et mere ekstremt eksempel på patologisk ardannelse. Ofte betragtes som adskilt fra hypertrofiske ar med hensyn til deres patofysiologi, histologisk analyse har antydet, at keloider faktisk simpelthen kan være længere langs det patologiske spektrum . Keloider forekommer udelukkende hos mennesker efter vævsskade, ikke ualmindeligt som følge af kirurgiske snit . Både hypertrofisk ardannelse og keloiddannelse involverer unormalt høje niveauer af ardannelse. Imidlertid forbliver hypertrofiske ar begrænset til inden for sårmargenerne, mens keloider invaderer ud over dem i det omgivende normale væv. Mens hypertrofiske ar karakteristisk regresserer over tid, kan keloider vokse i årevis og næsten aldrig spontant regressere, hvilket fører til mere ødelæggende kosmetiske resultater . Faktisk korrelerer mængden af dannet arvæv ikke med sværhedsgraden af den oprindelige sår, så selv små sår kan have betydelige æstetiske konsekvenser. Selvom flere typer behandlinger er blevet forsøgt at håndtere keloid ardannelse, har ingen givet signifikante resultater . Eksperimentelle undersøgelser har imidlertid vist stamcellernes evne til at hæmme keloidvækst og åbner nye veje til deres behandling . Desværre er disse fund ikke universelle, og der er behov for mere undersøgelse med hensyn til stamcelleanvendelser til keloidhåndtering .

5. Traditionelle tilgange til sårheling

i tilfælde, hvor vævsdefekter nødvendiggør placering af et hudtransplantat, kirurger kan ideelt set anvende autologt væv, hvilket giver afkald på ethvert behov for immunsuppression. Autografthøst er imidlertid ikke mulig i alle tilfælde, for eksempel på grund af utilstrækkeligt væv til høst. I scenarier, der udelukker autolog vævstransplantation, kan kirurger bruge kadavervæv, betegnet allotransplantater eller svinekønstransplantater. Disse er blot midlertidige foranstaltninger til at tilvejebringe vækstfaktorer til sårheling, da værtsimmunresponset forårsager transplantatafstødning i ugerne efter implantation .

vævstilgængelighed og graft-immunogenicitet er almindelige problemer inden for alle områder af transplantationsmedicin. Hudtransplantation er ingen undtagelse, hvilket ansporer udviklingen af vævskonstruerede huderstatninger. Den første af disse erstatninger blev kendt som matricsbaserede produkter, som fortsat anvendes i dag. Disse matricer implanteres ved sårlejet, hvor de fungerer som skabeloner til revaskularisering og dermal regenerering. Imidlertid kræver fuldstændig sårheling stadig epidermal dækning af neodermis ved hudtransplantat eller klap, selvom nogle små defekter kan overlades til at heles ved sekundær hensigt . Nyere udvikling inden for vævsteknik har ført til anvendelse af cellebaserede terapier. I modsætning til at høste områder af hudvæv, kan keratinocytter nu høstes fra patienter. Efterfølgende eks vivo-ekspansion muliggør derved produktion af et autologt epidermalt transplantat. Produktet er imidlertid meget tyndt, skrøbeligt og relativt dyrt at producere .

det er klart, at der har været flere forsøg på at øge effektiviteten af sårhelingsteknikker samt skabe mere effektive og pålidelige transplantater. Desværre viser selv de mest avancerede konstruerede huderstatninger begrænsninger; de er meget dyre, er ikke altid effektive og kan ikke fuldstændigt rekonstituere hudvedhæng. En anden tilgang til sårheling er derfor nødvendig for at overvinde de nuværende barrierer i sårterapi og skabe mere pragmatiske og effektive løsninger på sårrelaterede problemer . Stamcellernes pluripotente natur antyder, at de kan tilvejebringe et middel til at overvinde i det mindste nogle af de førnævnte barrierer for optimal sårhåndtering.

6. Stamceller og sårheling

for at celler skal klassificeres som stamceller, skal de opfylde to kriterier: de skal have en langvarig kapacitet til selvfornyelse, og de skal være i stand til at anvende asymmetrisk opdeling for at differentiere sig til mere specialiserede celletyper . Disse egenskaber giver et sæt unikke evner i disse typer celler, som kan udnyttes til at hjælpe regenererings-og reparationsprocessen i beskadiget hud. Undersøgelser, der bruger modeller af vævsskade, har vist, at alvorlig skade har resulteret i en dramatisk stigning i antallet af stamceller, der cirkulerer i blodet . Desuden blev cirkulerende knoglemarvsafledte celler fundet at lokaliseres til sårstedet, hvor de også differentierede sig til ikke-hæmatopoietiske hudstrukturer . Andre sådanne fund antyder også, at stamceller spiller en meget vigtig rolle i processen med sårheling, og yderligere undersøgelser er nødvendige for bedre at forstå de underliggende mekanismer. Dette afsnit vil uddybe bemærkelsesværdige fund i sårhelingsanvendelser af forskellige stamcellepopulationer (Figur 1), såsom mesenkymale stamceller (MSC ‘er) (inklusive fedtafledte stamceller (ASC’ er)), inducerede pluripotente stamceller (iPSC ‘er) og embryonale stamceller (ESC’ er).

de fleste undersøgelser, der ser på potentielle stamcellerelaterede sårhelingsterapier, har centreret sig om voksne stamceller, specifikt mesenkymale stamceller (MSC ‘ er). MSC ‘ er er i stand til selvfornyelse og har vist stort løfte om behandling af vævsskader, der involverer immunresponser . MSC ‘ er kan høstes fra en patients knoglemarv, fedtvæv, navlestrengsblod og dermis . Ikke kun giver autologe MSC ‘ er afkald på risikoen for transplantatafstødning, de forstås også at hæmme den inflammatoriske respons ved sårlejet, hvilket ellers kan forringe effektiv vævsregenerering . Desuden har knoglemarvsafledte MSC ‘er (BM-MSC’ er) vist sig at syntetisere højere mængder kollagen, vækstfaktorer og angiogene faktorer end de native dermale fibroblaster, hvilket antyder, at de kunne implanteres i sår for at øge helingshastigheden uden at fremkalde noget immunrespons. En casestudie viste også lukning af et genstridigt diabetisk fodsår behandlet med en kombination af direkte BM-MSC ‘ er til sårlejet dækket med en biograf sammensat af autologe hudfibroblaster i en kollagenmembran . Infektion komplicerer også ofte håndteringen af kroniske sår og præsenterer et yderligere problem, der skal behandles i behandlingen. En anden mekanisme, hvormed MSC ‘ er kan forøge sårhelingsresponsen, er via antimikrobiel peptidsekretion . Ved at målrette adskillige aspekter af sårheling tilbyder stamceller således en alsidig behandling af sår, der ikke har reageret på standardpleje.

selvom MSC ‘ er har vist en ensartet evne til at øge sårheling i en række scenarier, er der stadig nogle ulemper ved disse terapier. For eksempel er MSC ‘er en praktisk tilgang til små sår, men det er umuligt at dyrke nok MSC’ er til at gælde for et stort sår. Derudover falder populationen af MSC ‘er hos mennesker over tid, hvilket muligvis eliminerer muligheden for at bruge autologe MSC’ er til behandling i de ældre generationer . Mens MSC ‘ er er blevet observeret at bidrage direkte til sårheling via transdifferentiering til keratinocytter , menes parakrinmekanismer generelt at spille en meget vigtigere rolle . Derfor kan færre celler være nødvendige for klinisk effekt, omgå potentielle begrænsninger for stamcellebaserede sårterapier og opretholde dem som spændende metoder til forbedring af sårheling.

mens kirurgisk manipulation og høst af fedtvæv generelt er enkle procedurer, er selve vævet komplekst. Fedtvæv består af en overflod af celler, herunder adipocytter, glatte muskelceller, fibroblaster, makrofager, endotelceller og lymfocytter samt adipose-afledte stamceller (ASC ‘ er). ASCs er en klasse af MSC ‘ er, pluripotente celler, der er i stand til at differentiere til knogler, brusk, sener og fedt, forudsat at de dyrkes under de nødvendige betingelser. De deler et næsten lige stort potentiale med MSC ‘ er til at differentiere til celler af mesodermal oprindelse, men foretrækkes på grund af deres brede tilgængelighed og relative lethed ved at høste tilstrækkelige celletal . ASCs har vist sig at fremme human dermal fibroblastproliferation på sårstedet ved sekretion af paracrine faktorer, som i sidste ende øger sårheling . En anden undersøgelse viste, at ASC ‘ er under hypoksiske tilstande på grund af betændelse signifikant øger niveauerne af kollagensyntese og hjælper med at reducere sårområdet. Yderligere undersøgelse viste, at dette blev opnået ved opregulering af imperative vækstfaktorer, vaskulær endotelvækstfaktor (VEGF) og basisk fibroblastvækstfaktor (bFGF) . Sådanne beviser viser det enorme løfte om ASCs i fremtidig sårhåndtering.

Der er opstået flere problemer med hensyn til MSC og ASC-brug. Den lille population af tilgængelige MSC ‘ er og nødvendiggørelse af smertefulde invasive høstprocedurer er delvis blevet omgået ved at skifte til ASC-applikationer . Der er dog stadig en række andre spørgsmål. Effekten af enhver cellebaseret terapi kræver, at der administreres tilstrækkeligt antal celler, hvilket ofte har ført til udvidelse af MSC ‘ er til klinisk brug. Dette kan være problematisk, da langvarig kultur kan resultere i epigenetiske og fænotypiske ændringer i cellepopulationer, der potentielt påvirker effektiviteten eller værre, hvilket resulterer i skadelige mutationer . Bioreaktorer med lukket system tilbyder et middel til at øge celletallet og reducere variabiliteten af kulturmetoder, hvilket øger potentialet for storstilet klinisk anvendelse . I betragtning af udfordringerne ved stamcellekultur, ud over fund, der en gang er transplanteret, MSc-overlevelse er ofte kortvarig, og deres virkninger er forbigående, teknologier til forbedring af deres effektivitet er også stærkt efterspurgte . Der er sket forskellige udviklinger for at forbedre midlerne til administration af celler, såsom inden for fibrinsprayer . Forbedring af det lokale mikromiljø af transplanterede stamceller , for eksempel ved at så dem i humane kollagenmatricer, giver et middel til optimering af cellelevering og overlevelse. Stamcelleforbedring er ikke begrænset til kollagenstilladser, da hydrogeler og silkefibroin stilladser også har forbedret sårhelingsegenskaber hos coadministrerede stamceller . Nye metoder til målretning af stamceller til ønsket væv med peptid-eller antistofmærkning kan potentielt eliminere behovet for direkte administration . Udnyttelse af stamcellernes potentiale i sårterapi har skabt store muligheder for innovation, både hvad angår grundlæggende videnskabelig forskning og kommercialisering af nye teknologier. Da celleterapier fortsat optimeres, vil flere anvendelser af voksne stamceller som ASC ‘er og MSC’ er blive udviklet til brug af plastikkirurger.embryoets forbløffende proliferative kapacitet antydede, at undersøgelsen af embryonale stamceller (ESC ‘ er) kunne fremme vores forståelse af regenerative processer og give mere optimale sårbehandlinger. Mens embryoner oprindeligt var blevet betragtet som en vigtig kilde til pluripotente stamceller, har ESC ‘ er været et emne med ekstrem kontrovers i USA, og adgangen til disse celler i fortiden har været meget begrænset. ESC ‘ er er afledt af den indre cellemasse af blastocyst, et tidligt stadium præimplantationsembryo. ESC ‘ er kan således ikke høstes fra patienten, og deres direkte anvendelse vil involvere alle ulemperne ved allografting ud over etiske bekymringer forbundet med embryonvæv . Mens ESC ‘ er selv er mindre egnede til vævstransplantation, giver de potentialet til at forøge fysiologiske helingsprocesser via parakrine mekanismer. For eksempel udskiller ESC-afledte endotelceller en række cytokinfaktorer, der fører til forbedret sårheling .

endelig beskrev landmark-undersøgelsen udført af Takahashi og Yamanaka i 2006 en metode til omprogrammering af voksne celler tilbage til en embryonal tilstand, betegnet inducerede pluripotente stamceller (iPSCs) . Disse celler åbnede mange nye veje i stamcelleforskning ved at omgå etisk kontrovers og problemer forbundet med eksogen vævsafstødning. En undersøgelse formåede at omprogrammere dermale fibroblaster til iPSC ‘er uden brug af en viral vektor, hvilket betød, at iPSC’ er kunne udledes for de syge og/eller ældre patienter, der sandsynligvis har brug for dem mere . En anden undersøgelse har vist, at iPSC-afledte fibroblaster viser en øget produktion af ekstracellulære matricsproteiner, der også kan øge sårheling . IPSC ‘ ernes rolle fortsætter med at udvide sig på tværs af adskillige forskningsområder, fra de grundlæggende til translationelle videnskaber. I 2014 blev et japansk team det første til at administrere iPSCs klinisk, i dette tilfælde til behandling af aldersrelateret makuladegeneration. Imidlertid forbliver pålidelige iPSC-baserede terapier til sårhåndtering undvigende, dels når vi fortsætter med at afvente resultaterne af deres første kliniske anvendelse. Administration af dedifferentierede pluripotente celler medfører risiko for efterfølgende tumordannelse, og derfor skal der udføres langvarige foreløbige undersøgelser inden enhver proliferation med hensyn til deres kliniske anvendelse. Vi skal fortsætte med at udvide vores forståelse af, hvordan de kan modulere sårmiljøet, samtidig med at vi forbedrer vores evne til at manipulere dem in vitro og in vivo. På denne måde kan vi mere effektivt oversætte vores opdagelser fra bænk til seng.

spørgsmål vedrørende sårheling viser en betydelig byrde for sundhedssystemet som helhed, men deres negative psykosociale indvirkning på patienter er umådelig. Traditionelle sårhelingsteknologier, herunder hudtransplantation og vævskonstruerede huderstatninger, forbliver uvurderlige i klinisk praksis. Den voksende forekomst af recalcitrant sår går imidlertid hånd i hånd med stigningen i kronisk sygdom. Det er således bydende nødvendigt, at ældre sårhåndteringsteknikker suppleres med nye cellebaserede terapier for at tackle begrænsningerne i de nuværende behandlinger.

interessekonflikt

forfatterne erklærer, at der ikke er nogen interessekonflikt vedrørende offentliggørelsen af dette papir.

forfatteres Bidrag

Michael S. Hu, Tripp Leavitt og Samir Malhotra bidrog ligeligt til dette arbejde.