Abstract

Problemer rundt sårheling har fått dyp vitenskapelig interesse, samt blomstrende finansmarkeder investert i nye sårterapier. Mye fremgang har blitt gjort på feltet, men det er ikke overraskende å oppdage at de siste suksessene avslører nye utfordringer som skal løses. Med hensyn til sårheling, store vev underskudd, gjenstridige sår, og patologisk arrdannelse forbli, men noen av våre mest presserende utfordringer. Stamcellebaserte terapier har blitt varslet som et lovende middel for å overgå dagens begrensninger i sårbehandling. Det brede differensieringspotensialet til stamceller gir mulighet for å gjenopprette tapt eller skadet vev, mens deres evne til å immunmodulere sårsengen langt fra tyder på at deres kliniske applikasjoner ikke trenger å være begrenset til direkte vevdannelse. Den kliniske nytten av stamceller har blitt demonstrert over dusinvis av kliniske studier i kronisk sårbehandling, men det er håp om at andre aspekter av sårpleie vil arve lignende fordel. Vitenskapelig undersøkelse av stamcellebasert sårbehandling florerer i forskningslaboratorier rundt om i verden. Mens deres kliniske applikasjoner forblir i sin barndom, gjør den store investeringen i potensialet det til en verdig gjenstand for gjennomgang for plastikkirurger, både når det gjelder deres nåværende og fremtidige applikasjoner.

1. Innledning

Sårheling er en kompleks prosess som involverer flere fysiologiske mekanismer koordinert i en effektiv respons på vevsskade. Denne prosessen består av flere forskjellige, men overlappende faser-hemostase og betennelse, proliferasjon og modning-som resulterer i arrdannelse under normale omstendigheter . Normal sår reparasjon eksisterer langs et spekter av utfall som følge av vevsskade. Disse spenner fra patologisk underhealing (dvs. kroniske, nonhealing sår) til patologisk overhaling (dvs. hypertrofiske arr og keloider), med fysiologisk helbredelse, inkludert arrdannelse, et sted i mellom. Interessen for sårheling forskning fortsetter å vokse, med mye fokus nå rettet mot stamcelleterapi for å overvinne begrensninger i vår nåværende sårbehandling praksis. Hittil har 45 publiserte kliniske studier og ytterligere 33 studier med hittil upubliserte resultater undersøkt potensialet for stamceller i adressering av patologisk underhealing (upubliserte data). Dermed tyder dagens forskning på at vi nærmer oss et tippepunkt i spredning av stamcellebaserte terapier og bruken av disse terapiene for å behandle sykdom. Som sådan er en grunnleggende forståelse av sårheling og de siste fremskrittene innen stamcelleterapi viktige temaer for plastikkirurger. Her diskuterer vi det udekkede behovet som stamcelleterapier påstås å adressere, samt deres nåværende bruk i sårheling.

2. Viktigheten av Sårheling

flertallet av kroppens vev er i stand til å gjennomgå sårreparasjon etter en forstyrrelse av vevets integritet . Sårpleie er en viktig komponent i kirurgisk praksis både akutt (f. eks. traumer, brannsår og kirurgi) og kronisk (f. eks., trykksår, venøse sår og diabetiske sår). Ved helbredelse resulterer disse sårene i arrdannelse. Tusenvis av milliarder dollar er viet til sårpleie hvert år . Kroniske sår er spesielt kostbare, da de ofte krever langvarig oppfølging med gjentatte inngrep og ikke er uvanlig resistente mot terapi; det anslås at 1% av befolkningen til enhver tid lider av noen form for kronisk sår .

Patologisk arrdannelse, inkludert hypertrofiske arr og keloider, er en annen bekymring i sårbehandling. Disse forholdene kan være spesielt problematiske gitt muligheten for permanent funksjonstap samt sosial stigma . Hypertrofiske arr er vanligvis et resultat av traumatiske skader eller brannskader, men kirurgi er en annen potensiell årsak. I et gitt år, de 1 million brannsår og 2 millioner pasienter skadet i motorkjøretøyer ulykker nødvendig behandling, i tillegg til de millioner av andre gjennomgår invasiv kirurgi, demonstrere presserende natur dette problemet .

3. Normal Sårhelingsfysiologi

som tidligere nevnt består sårheling av tre overlappende stadier: (1) inflammatorisk fase, (2) proliferasjonsfase og (3) modningsfase. Det er viktig å forstå de fysiologiske mekanismene for sårheling for å fullt ut sette pris på avvikene som ligger til grunn for ulike sårheling lidelser for å gi tilstrekkelig behandling. Her vil vi kort oppsummere de grunnleggende fysiologiske mekanismene for sårheling. For mer grundige diskusjoner av disse prosessene utenfor omfanget av dette papiret, spesielt når det gjelder inflammatorisk respons, er leseren rettet mot vurderinger Av Gurtner et al. Og Eming et al. .

Vevsskade initierer sårhelingsresponsen, som begynner med sårhemostase som en del av den inflammatoriske fasen. Selv om blodstrømmen er begrenset i selve sårsengen, er det tilstøtende vevet utsatt for økt perfusjon. Inflammatoriske mediatorer produseres i samspill med koagulasjonskaskaden, og genererer en lokal konsentrasjonsgradient. Dette fremmer dannelsen av fibrinmatriks og nøytrofile kjemotakser. Når matrisen er etablert, kommer nøytrofiler inn for å fjerne det døde vevet og forsøke å kontrollere potensielle infeksjoner via den medfødte immunresponsen. Disse migrerende cellene forsterker ytterligere den inflammatoriske responsen, selv frigjør proinflammatoriske cytokiner, noe som bidrar til hevelse og erytem som ofte observeres i begynnelsen av sårheling. Denne fasen varer vanligvis i 4 dager .i den påfølgende proliferasjonsfasen frigjør inflammatoriske celler forskjellige cytokiner og andre signalmolekyler for å rekruttere fibroblaster og vaskulære endotelceller til skadestedet. Fibroblaster produserer kollagen, som begynner å erstatte den foreløpige fibrinmatrisen, og øker sårets mekaniske styrke. En del av disse fibroblaster skiller seg også i myofibroblaster, noe som bidrar til mekanisk sårkontraksjon. Migrerende endotelceller bidrar til revaskularisering av sårsengen via angiogenese, noe som bidrar til å støtte det utviklende granulasjonsvevet. Keratinocytter migrerer også til sårkanten, hvor de gjennomgår spredning . Av notatet, ødeleggelse av hårsekkene i større sår korrelerer med tregere reepithelialization sekundært til tap av epidermal stamcelle nisje, potensielt nødvendig hud pode plassering for å oppnå fullstendig nedleggelse .

det er i den endelige modningsfasen at såret gjennomgår reepithelialisering. Arrdannelse gjør at det helede vevet kan gjenvinne noen, men ikke alle, av sin opprinnelige strekkstyrke. Imidlertid reduseres vevelasticiteten dramatisk sekundært til omfattende fibrose. Da intensiteten av helbredelsesresponsen deescalates i sine siste stadier, gjennomgår flertallet av endotelceller, makrofager og myofibroblaster lokalisert til sårsengen apoptose. De resterende arr vil fortsette å gjennomgå ytterligere remodeling i løpet av de påfølgende måneder til år .

4. Mål for Nye Cellebaserte Terapier

i Usa anslås kostnadene ved kronisk sårbehandling alene å overstige 25 milliarder dollar per år . Videre er disse terapiene ofte støttende med suboptimale kliniske utfall, og markerer kroniske sår som viktige mål for nye terapier. Mens normal sårheling resulterer i godartet arrdannelse, kan svekket sårhelingsprosesser resultere i estetisk ubehagelig arrdannelse eller til og med et kronisk, nonhealing sår. Faktorer forstått å forstyrre fysiologisk helbredelse inkluderer aldring, stillesittende livsstil (preget av liten eller ingen fysisk aktivitet), psykologisk status og røyking . Kroniske sykdomstilstander deler mange av de modifiserbare risikofaktorene forbundet med dårlig sårheling og er selv hindringer for den fysiologiske helbredelsesprosessen. For eksempel er diabetes tett knyttet til kronisk sårdannelse i form av nonhealing diabetiske sår . Ukontrollert diabetes svekker nøytrofil-og makrofagmigrasjon til sårsengen. Den resulterende forsinkelsen av sårheling predisponerer pasienter for å utvikle diabetiske fotsår, som igjen kan bli infisert og nødvendiggjøre kirurgisk debridering eller amputasjon. En bedre forståelse av kronisk sårpatofysiologi kan bidra til å identifisere potensielle roller for stamcellebaserte terapier i ikke-helbredende sår . Til slutt er målet å skape kostnadseffektive terapier som kan forbedre livskvaliteten betydelig for pasienter som lider av disse forholdene. Stamceller tilbyr et lovende middel til dette formål med potensial til å helbrede tilbakevendende sår og forhindre kostbare følger av langvarige vevsdefekter .

i motsatt ende av sårhelingsspekteret eksisterer patologisk overhealing, delt inn i hypertrofisk arrdannelse og keloiddannelse. Hypertrofisk arrdannelse tilskrives den dysregulerte proliferasjonen av inflammatoriske celler og fibroblaster under sårhelingsprosessen, noe som ytterligere bidrar til en svært uorganisert matrisestruktur som er karakteristisk for arr . Hypertrofisk arrdannelse har for tiden ingen kjent kur; tilgjengelige behandlinger er utilstrekkelige for å dempe arrdannelse eller redusere den resulterende estetiske defekten. Overdreven betennelse er karakteristisk for både hypertrofisk arrdannelse og kroniske sårsenger, hvorav sistnevnte har blitt vellykket gjennom stamcelleimmodulering . Stamceller kan dermed tilby et middel for å håndtere patologisk arrdannelse .

Keloidformasjon er et mer ekstremt eksempel på patologisk arrdannelse. Ofte betraktet som atskilt fra hypertrofiske arr i form av deres patofysiologi, histologisk analyse har antydet at keloider kan faktisk bare være lenger langs patologisk spekteret . Keloider forekommer utelukkende hos mennesker etter vevsskade, ikke uvanlig som følge av kirurgiske inngrep . Både hypertrofisk arrdannelse og keloid dannelse innebære unormalt høye nivåer av arrdannelse. Imidlertid forblir hypertrofiske arr begrenset til sårmargene, mens keloider invaderer utover dem i det omkringliggende normale vevet. Mens hypertrofiske arr regres karakteristisk over tid, kan keloider vokse i årevis og nesten aldri spontant regres, noe som fører til mer ødeleggende kosmetiske utfall . Faktisk er mengden arrvev dannet ikke korrelert med alvorlighetsgraden av den første såret, så selv små sår kan ha betydelige estetiske konsekvenser. Selv om flere typer behandlinger har blitt forsøkt å håndtere keloid arrdannelse, har ingen gitt betydelige resultater . Eksperimentelle studier har imidlertid vist stamcellers evne til å hemme keloidvekst, og åpner nye veier for behandling . Dessverre er disse funnene ikke universelle, og mer studie er nødvendig når det gjelder stamcelleapplikasjoner for keloidbehandling .

5. Tradisjonelle Tilnærminger til Sårheling

i tilfeller der vevsdefekter nødvendiggjør plassering av en hud pode, kirurger kan ideelt utnytte autologt vev, forut eventuelle behov for immunsuppresjon. Autografthøst er imidlertid ikke mulig i alle tilfeller, for eksempel på grunn av utilstrekkelig vev til høsting. I scenarier som utelukker autolog vev pode, kan kirurger utnytte kadaverisk vev, betegnet allografts, eller svin xenografts. Dette er bare temporizing tiltak for å gi vekstfaktorer for sårheling, som vert immunrespons forårsaker transplantasjon avvisning i ukene etter implantasjon .

Vevstilgjengelighet og graftimmunogenitet er vanlige problemer på alle områder av transplantasjonsmedisin. Skin pode er intet unntak, anspore utviklingen av vev utviklet hud erstatninger. Den første av disse erstatningene var kjent som matriksbaserte produkter, som fortsatt brukes i dag. Disse matrices er implantert på sårsengen, hvor de fungerer som maler for revaskularisering og dermal regenerering. Imidlertid krever fullstendig sårheling fortsatt ofte epidermal dekning av neodermis ved hudtransplantasjon eller klaff, selv om noen små feil kan overlates til å helbrede ved sekundær intensjon . Nyere utvikling i vevsteknikk har ført til anvendelse av cellebaserte terapier. I motsetning til å høste områder av hudvev, kan keratinocytter nå høstes fra pasienter. Etterfølgende ex vivo-utvidelse muliggjør dermed produksjon av et autologt epidermalt transplantat. Produktet er imidlertid veldig tynt, skjøre og relativt dyrt å produsere .

det er klart at det har vært flere forsøk på å øke effektiviteten av sårhelingsteknikker, samt å skape mer effektive og pålitelige transplantater. Dessverre, selv de mest avanserte konstruerte hud erstatninger demonstrere begrensninger; de er svært dyre, er ikke alltid effektive,og kan ikke helt rekonstituere huden vedheng. En annen tilnærming til sårheling er derfor nødvendig for å overvinne dagens barrierer i sårbehandling og skape mer pragmatiske og effektive løsninger på sårrelaterte problemer . Den pluripotente naturen til stamceller antyder at de kan gi et middel til å overvinne minst noen av de nevnte barrierer for optimal sårbehandling.

6. Stamceller og Sårheling

for at celler skal klassifiseres som stamceller, må de oppfylle to kriterier: de må ha en langvarig kapasitet for selvfornyelse, og de må kunne ansette asymmetrisk deling for å skille seg inn i mer spesialiserte celletyper . Disse egenskapene gir et sett med unike evner i disse typer celler, som kan utnyttes for å hjelpe regenererings-og reparasjonsprosessen i skadet hud. Studier som bruker modeller av vevsskade har vist alvorlig skade har resultert i en dramatisk økning i antall stamceller som sirkulerer i blod . Videre ble sirkulerende benmarg-avledede celler funnet å lokalisere til sårstedet hvor de også differensiert til ikke-hematopoietiske hudstrukturer . Andre slike funn tyder også på at stamceller spiller en svært viktig rolle i prosessen med sårheling, og videre studier er nødvendig for å bedre forstå de underliggende mekanismene. Denne delen vil utdype bemerkelsesverdige funn i sårhelingsapplikasjoner av ulike stamcellepopulasjoner (Figur 1), som mesenkymale stamceller (MSCs) (inkludert adipose-derived stamceller (ASCs)), induserte pluripotente stamceller (iPSCs) og embryonale stamceller (ESCs).

de fleste studier som ser på potensielle stamcellerelaterte sårhelingsterapier, har sentrert seg på voksne stamceller, spesielt mesenkymale stamceller (MSCs). MSCs er i stand til selvfornyelse og har vist godt løfte om behandling av vevskader som involverer immunresponser . MSCs kan høstes fra pasientens benmarg, fettvev, navlestrengsblod og dermis . Ikke bare autologe MSCs avstår risikoen for transplantatavstøtning, de forstås også å hemme den inflammatoriske responsen på sårsengen, noe som ellers kan forringe effektiv vevregenerering . Videre har benmarg-avledede MSCs (BM-MSCs) vist seg å syntetisere høyere mengder kollagen, vekstfaktorer og angiogene faktorer enn de innfødte dermale fibroblaster, noe som tyder på at de kunne bli implantert i sår for å øke graden av helbredelse uten å fremkalle noen immunrespons. En casestudie viste også lukking av et tilbakevendende diabetisk fotsår behandlet med en kombinasjon av direkte BM-MSCs til sårsengen dekket med en biograft bestående av autologe hudfibroblaster i en kollagenmembran . Infeksjon kompliserer også ofte behandling av kroniske sår, og presenterer et ytterligere problem å ta opp i behandlingen. En annen mekanisme Som MSCs kan øke sårheling respons er via antimikrobiell peptid sekresjon . Ved å målrette mot mange aspekter ved sårheling, tilbyr stamceller dermed en allsidig behandling for sår som ikke har respondert på standardbehandling.Selv Om MSCs har vist en konsekvent evne til å øke sårheling i en rekke scenarier, er det fortsatt noen ulemper med disse terapiene. For Eksempel Er MSCs en praktisk tilnærming til små sår, men det er unfeasible å kultur Nok MSCs å gjelde for et stort sår. I tillegg reduseres Populasjonen Av MSCs hos mennesker over tid, noe som muligens eliminerer muligheten for å bruke autologe MSCs for behandling i eldre generasjoner . Mens MSCs har blitt observert å bidra direkte til sårheling via transdifferentiering i keratinocytter, antas parakrinmekanismer generelt å spille en mye viktigere rolle . Derfor kan færre celler kreves for klinisk effekt, omgå potensielle begrensninger for stamcellebaserte sårterapier og opprettholde dem som spennende modaliteter for å forbedre sårheling.

mens kirurgisk manipulasjon og høsting av fettvev generelt er enkle prosedyrer, er selve vevet komplekst. Fettvev består av en mengde celler, inkludert adipocytter, glatte muskelceller, fibroblaster, makrofager, endotelceller og lymfocytter, samt adipose-avledede stamceller (ASCs). ASCs er en Klasse Av MSCs, pluripotente celler som er i stand til å skille seg inn i bein, brusk, sene og fett, forutsatt at de dyrkes under de nødvendige forhold. De deler et nesten like potensial Med MSCs for å skille seg inn i celler av mesodermal opprinnelse, men foretrekkes på grunn av deres brede tilgjengelighet og relativ enkel høsting av tilstrekkelige celletall . ASCs har vist seg å fremme human dermal fibroblast proliferasjon på sårstedet ved sekresjon av parakrinfaktorer, noe som til slutt øker sårheling. En annen studie viste at ASCs, under hypoksiske forhold på grunn av betennelse, øker nivåene av kollagensyntese betydelig og bidrar til å redusere sårområdet. Videre studier viste at dette ble oppnådd ved oppregulering av imperative vekstfaktorer, vaskulær endotelvekstfaktor (VEGF) og basisk fibroblastvekstfaktor (bFGF) . Slike bevis demonstrerer det enorme løftet Om ASCs i fremtidig sårbehandling.

Flere problemer har oppstått når DET gjelder MSC og ASC bruk. Den lille populasjonen av Tilgjengelige MSCs og nødvendiggjøring av smertefulle invasive høstprosedyrer har delvis blitt omgått ved å skifte TIL ASC-applikasjoner . Imidlertid forblir en rekke andre problemer. Effekten av enhver cellebasert behandling krever at tilstrekkelig antall celler administreres, noe som ofte har ført til ex vivo utvidelse av MSCs for klinisk bruk. Dette kan være problematisk da langsiktig kultur kan resultere i epigenetiske og fenotypiske endringer i cellepopulasjoner, som potensielt påvirker effekten eller verre, noe som resulterer i skadelige mutasjoner . Bioreaktorer med lukket system tilbyr et middel for å øke celletall og redusere variabiliteten av kulturmetoder, og øke potensialet for storskala klinisk bruk . Gitt utfordringene med ex vivo stamcellekultur, i tillegg til funn som NÅR transplantert, MSC overlevelse er ofte kortvarig og deres effekter forbigående, teknologier for å forbedre effektiviteten er også sterkt ettertraktet . Ulike utviklinger har skjedd for å forbedre midler til å administrere celler, som for eksempel i fibrinsprayer . Forbedring av det lokale mikromiljøet av transplanterte stamceller, for eksempel ved å så dem i humane kollagenmatriser , gir et middel for optimalisering av cellelevering og overlevelse. Stamcelleforbedring er ikke begrenset til kollagenstillas, da hydrogeler og silkefibroinstillas har også forbedret sårheling egenskaper ved samtidig administrerte stamceller . Nye metoder for å målrette stamceller til ønsket vev med peptid eller antistoffmerking kan potensielt eliminere behovet for direkte administrasjon . Å utnytte potensialet til stamceller i sårbehandling har skapt store muligheter for innovasjon, både når det gjelder grunnvitenskapelig forskning og kommersialisering av ny teknologi. Som celleterapi fortsetter å bli optimalisert, vil flere applikasjoner av voksne stamceller som ASCs og MSCs bli utviklet for bruk av plastikkirurger.den forbløffende proliferative kapasiteten til embryoet antydet at studiet av embryonale stamceller (ESCs) kan fremme vår forståelse av regenerative prosesser og gi mer optimale sårbehandlinger. Mens embryoer opprinnelig ble ansett som en viktig kilde til pluripotente stamceller, Har ESCs vært et tema for ekstrem kontrovers i Usa, og tilgang til disse cellene i fortiden har vært svært begrenset. Esc er avledet fra den indre cellemassen til blastocysten, et tidlig stadium preimplantasjonsembryo. Dermed Kan Ikke ESCs høstes fra pasienten, og deres direkte bruk vil innebære alle ulempene ved allografting, i tillegg til etiske bekymringer knyttet til embryonalt vev . Mens ESCs selv er mindre egnet for vevtransplantasjon, gir de potensialet til å øke fysiologiske helingsprosesser via parakrinmekanismer. FOR EKSEMPEL utskiller esc-avledede endotelceller en rekke cytokinfaktorer som fører til forbedret sårheling .endelig beskrev landemerkestudien Utført Av Takahashi Og Yamanaka i 2006 en metode for omprogrammering av voksne celler tilbake til en embryonal tilstand, kalt induserte pluripotente stamceller (iPSCs) . Disse cellene åpnet mange nye veier i stamcelleforskning ved å omgå etisk kontrovers og problemer knyttet til eksogent vevsavvisning. En studie klarte å omprogrammere dermale fibroblaster til iPSCs, uten bruk av en viral vektor, noe som medførte at iPSCs kunne utledes for de syke og/eller eldre pasientene som mest sannsynlig trenger dem mer . En annen studie har vist at ipsc-avledede fibroblaster viser økt produksjon av ekstracellulære matriksproteiner som også kan øke sårheling. IPSCs rolle fortsetter å ekspandere på tvers av mange forskningsområder, fra grunnleggende til translasjonelle fag. I 2014 Ble Et Japansk team den Første til å administrere iPSCs klinisk, i dette tilfellet for behandling av aldersrelatert makuladegenerasjon. Imidlertid forblir pålitelige iPSC-baserte terapier for sårbehandling unnvikende, delvis ettersom vi fortsetter å avvente resultatene av deres første kliniske anvendelse. Administrering av dedifferensierte pluripotente celler medfører risiko for påfølgende tumordannelse, og derfor må det gjennomføres langsiktige foreløpige studier før eventuell proliferasjon med hensyn til klinisk bruk. Vi må fortsette å utvide vår forståelse av hvordan de kan modulere sårmiljøet, samtidig som vi forbedrer vår evne til å manipulere dem in vitro og in vivo. På denne måten kan vi mer effektivt oversette våre funn fra benk til sengen.

problemer knyttet til sårheling viser en betydelig belastning for helsevesenet som helhet, men deres negative psykososiale innvirkning på pasientene er umåtelig. Tradisjonelle sårhelingsteknologier, inkludert hudtransplantasjon og vevskonstruerte hudsubstitutter, forblir uvurderlige i klinisk praksis. Den økende forekomsten av tilbakevendende sår går imidlertid hånd i hånd med økningen av kronisk sykdom. Det er derfor viktig at eldre sårhåndteringsteknikker forsterkes med nye cellebaserte terapier for å takle begrensningene i dagens behandlinger.

Interessekonflikt

forfatterne erklærer at det ikke er noen interessekonflikt angående publisering av dette papiret.

Forfatterbidrag

Michael S. Hu, Tripp Leavitt og Samir Malhotra bidro like mye til dette arbeidet.