Abstrakt
frågor kring sårläkning har fått djupt vetenskapligt intresse såväl som blomstrande finansmarknader som investerats i nya sårterapier. Stora framsteg har gjorts på området, men det är inte förvånande att finna att de senaste framgångarna avslöjar nya utmaningar som måste åtgärdas. När det gäller sårläkning förblir stora vävnadsunderskott, motstridiga sår och patologisk ärrbildning bara några av våra mest pressande utmaningar. Stamcellsbaserade terapier har kallats som ett lovande sätt att överträffa nuvarande begränsningar i sårhantering. Stamcellernas breda differentieringspotential möjliggör möjligheten att återställa förlorad eller skadad vävnad, medan deras förmåga att immunmodulera sårbädden långt ifrån antyder att deras kliniska tillämpningar inte behöver begränsas till direkt vävnadsbildning. Den kliniska nyttan av stamceller har visats i dussintals kliniska prövningar vid kronisk sårbehandling, men det finns hopp om att andra aspekter av sårvård kommer att ärva liknande fördelar. Vetenskaplig undersökning av stamcellsbaserad sårterapi vimlar i forskningslaboratorier runt om i världen. Medan deras kliniska tillämpningar förblir i sin linda, gör den stora investeringen i deras potential det till ett värdefullt föremål för granskning för plastikkirurger, både vad gäller deras nuvarande och framtida applikationer.
1. Introduktion
sårläkning är en komplex process som involverar flera fysiologiska mekanismer samordnade i ett effektivt svar på vävnadsskada. Denna process består av flera distinkta, men överlappande faser—hemostas och inflammation, proliferation och mognad—som resulterar i ärrbildning under normala omständigheter . Normal sårreparation finns längs ett spektrum av resultat som härrör från vävnadsskada. Dessa sträcker sig från patologisk underhealing (dvs kroniska, nonhealing sår) till patologisk overhealing (dvs hypertrofiska ärr och keloider), med fysiologisk läkning, inklusive ärrbildning, någonstans däremellan. Intresset för sårläkningsforskning fortsätter att växa, med mycket fokus nu riktat mot stamcellsterapier för att övervinna begränsningar i våra nuvarande sårhanteringsmetoder. Hittills har 45 publicerade kliniska studier och ytterligare 33 studier med ännu opublicerade resultat undersökt potentialen för stamceller för att ta itu med patologisk underhealing (opublicerade data). Således tyder aktuell forskning på att vi närmar oss en tipppunkt i spridningen av stamcellsbaserade terapier och användningen av dessa terapier för att behandla sjukdom. Som sådan är en grundläggande förståelse för sårläkning och de senaste framstegen inom stamcellsterapier viktiga ämnen för plastikkirurger. Här diskuterar vi det ouppfyllda behovet att stamcellsterapier påstås ta itu med, liksom deras nuvarande användning vid sårläkning.
2. Betydelsen av sårläkning
majoriteten av kroppens vävnader kan genomgå sårreparation efter en störning av vävnadsintegriteten . Sårvård är en viktig del av kirurgisk praxis både akut (t. ex. trauma, brännskador och kirurgi) och kroniskt (t. ex., trycksår, venösa sår och diabetessår). Vid läkning resulterar dessa sår i ärrbildning. Tiotals miljarder dollar ägnas åt sårvård varje år . Kroniska sår är särskilt kostsamma, eftersom de ofta kräver långvarig uppföljning med upprepade ingrepp och inte är ovanligt resistenta mot terapi; det uppskattas att 1% av befolkningen vid varje given tidpunkt lider av någon form av kroniskt sår .
patologisk ärrbildning, inklusive hypertrofiska ärr och keloider, är ett annat problem vid sårhantering. Dessa förhållanden kan vara särskilt problematiska med tanke på möjligheten till permanent funktionell förlust såväl som social stigma . Hypertrofiska ärr är vanligtvis resultatet av traumatiska skador eller brännskador, men kirurgi är en annan potentiell orsak. Under ett visst år visar de 1 miljoner brännskadorna och 2 miljoner patienter som skadats i motorfordonsolyckor som kräver behandling, förutom de miljoner andra som genomgår invasiv operation, den pressande karaktären av denna fråga .
3. Normal Sårläkningsfysiologi
som tidigare nämnts består sårläkning av tre överlappande steg: (1) inflammatorisk fas, (2) proliferationsfas och (3) mognadsfas. Det är viktigt att förstå de fysiologiska mekanismerna för sårläkning för att fullt ut uppskatta de avvikelser som ligger till grund för olika sårläkningsstörningar för att ge adekvat behandling. Här kommer vi kortfattat att sammanfatta de grundläggande fysiologiska mekanismerna för sårläkning. För mer djupgående diskussioner om dessa processer utanför ramen för detta dokument, särskilt när det gäller det inflammatoriska svaret, läsaren riktas till recensioner av Gurtner et al. och Eming et al. .
vävnadsskada initierar sårläkningsresponsen, som börjar med sårhemostas som en del av den inflammatoriska fasen. Även om blodflödet är begränsat vid själva sårbädden, utsätts den intilliggande vävnaden för ökad perfusion. Inflammatoriska mediatorer produceras i samförstånd med koagulationskaskaden, vilket genererar en lokal koncentrationsgradient. Detta främjar fibrinmatrisbildning och neutrofil kemotaxi. När matrisen är etablerad kommer neutrofiler in för att ta bort den döda vävnaden och försöka kontrollera eventuella infektioner via det medfödda immunsvaret. Dessa migrerande celler förstärker ytterligare det inflammatoriska svaret, själva frigör proinflammatoriska cytokiner, vilket bidrar till svullnad och erytem som ofta observeras i de inledande stadierna av sårläkning. Denna fas varar vanligtvis i 4 dagar .
i den efterföljande proliferationsfasen frigör inflammatoriska celler olika cytokiner och andra signalmolekyler för att rekrytera fibroblaster och vaskulära endotelceller till skadestället. Fibroblaster producerar kollagen, som börjar ersätta den provisoriska fibrinmatrisen, vilket ökar sårets mekaniska styrka. En del av dessa fibroblaster skiljer sig också åt i myofibroblaster, vilket bidrar till mekanisk sårkontraktion. Migrerande endotelceller bidrar till revaskularisering av sårbädden via angiogenes, vilket hjälper till att stödja den utvecklande granulationsvävnaden. Keratinocyter migrerar också till sårkanten, där de genomgår proliferation . Observera att förstörelse av hårsäckar i större sår korrelerar med långsammare reepitelialisering sekundärt till förlusten av epidermal stamcellsnisch, vilket potentiellt kräver placering av hudtransplantat för att uppnå fullständig stängning .
det är under den slutliga mognadsfasen att såret genomgår reepitelisering. Ärrbildning gör det möjligt för den läkta vävnaden att återfå en del, men inte alla, av sin ursprungliga draghållfasthet. Vävnadselasticitet reduceras emellertid dramatiskt sekundärt till omfattande fibros. När intensiteten i läkningssvaret försvinner i sina slutstadier genomgår majoriteten av endotelcellerna, makrofager och myofibroblaster lokaliserade till sårbädden apoptos. Det återstående ärret fortsätter att genomgå ytterligare ombyggnad under de följande månaderna till år .
4. Mål för nya cellbaserade terapier
i USA beräknas kostnaderna för kronisk sårhantering enbart överstiga 25 miljarder dollar per år . Dessutom är dessa terapier ofta stödjande med suboptimala kliniska resultat, vilket markerar kroniska sår som viktiga mål för nya terapier. Medan normal sårläkning resulterar i godartad ärrbildning, kan försämrade sårläkningsprocesser resultera i estetiskt missnöje ärrbildning eller till och med ett kroniskt, icke-helande sår. Faktorer som förstås störa fysiologisk läkning inkluderar åldrande, stillasittande livsstil (kännetecknad av liten eller ingen fysisk aktivitet), psykologisk status och rökning . Kroniska sjukdomstillstånd delar många av de modifierbara riskfaktorerna i samband med dålig sårläkning och är själva hinder för den fysiologiska läkningsprocessen. Till exempel är diabetes tätt kopplad till kronisk sårbildning i form av icke-helande diabetessår . Okontrollerad diabetes försämrar neutrofil och makrofagmigration till sårbädden. Den resulterande fördröjningen av sårläkning predisponerar patienter för att utveckla diabetiska fotsår, som i sin tur kan smittas och kräver kirurgisk debridering eller amputation. En bättre förståelse för kronisk sårpatofysiologi kan hjälpa till att identifiera potentiella roller för stamcellsbaserade terapier i nonhealing sår . I slutändan är målet att skapa kostnadseffektiva terapier som avsevärt kan förbättra livskvaliteten för patienter som lider av dessa tillstånd. Stamceller erbjuder ett lovande sätt för detta ändamål med potential att läka motstridiga sår och förhindra kostsamma följder av långvariga vävnadsdefekter .
vid den motsatta änden av sårläkningspektret finns patologisk överläkning, uppdelad i hypertrofisk ärrbildning och keloidbildning. Hypertrofisk ärrbildning tillskrivs den dysregulerade proliferationen av inflammatoriska celler och fibroblaster under sårläkningsprocessen, vilket ytterligare bidrar till en mycket oorganiserad matrisstruktur som är karakteristisk för ärr . Hypertrofisk ärrbildning har för närvarande inget känt botemedel; tillgängliga behandlingar är otillräckliga för att begränsa ärrbildning eller minska den resulterande estetiska defekten. Överdriven inflammation är ett kännetecken för både hypertrofisk ärrbildning och kroniska sårbäddar, varav den senare framgångsrikt har hanterats genom stamcellsimmunmodulering . Stamceller kan således erbjuda ett sätt att ta itu med patologisk ärrbildning .
keloidbildning är ett mer extremt exempel på patologisk ärrbildning. Ofta betraktas som separat från hypertrofiska ärr när det gäller deras patofysiologi, har histologisk analys föreslagit att keloider faktiskt helt enkelt kan vara längre längs det patologiska spektrumet . Keloider förekommer enbart hos människor efter vävnadsskada, inte ovanligt till följd av kirurgiska snitt . Både hypertrofisk ärrbildning och keloidbildning involverar onormalt höga nivåer av ärrbildning. Hypertrofiska ärr förblir emellertid begränsade till sårmarginalerna, medan keloider invaderar bortom dem i den omgivande normala vävnaden. Medan hypertrofiska ärr karaktäristiskt regresserar över tiden kan keloider växa i flera år och nästan aldrig spontant regressera, vilket leder till mer förödande kosmetiska resultat . Faktum är att mängden ärrvävnad som bildas inte korrelerar med svårighetsgraden av den initiala sårningen, så även små sår kan få betydande estetiska konsekvenser. Även om flera typer av behandlingar har försökt att hantera keloid ärrbildning, ingen har gett betydande resultat . Experimentella studier har dock visat stamcellernas förmåga att hämma keloidtillväxt, vilket öppnar nya vägar för deras behandling . Tyvärr är dessa resultat inte universella och mer studier behövs när det gäller stamcellsapplikationer för keloidhantering .
5. Traditionella metoder för sårläkning
i fall där vävnadsdefekter kräver placering av ett hudtransplantat, kan kirurger idealiskt använda autolog vävnad, vilket föregår något behov av immunsuppression. Autograftskörd är emellertid inte möjlig i alla fall, till exempel på grund av otillräcklig vävnad för skörd. I scenarier som utesluter autolog vävnadstransplantation kan kirurger använda cadaveric vävnad, benämnd allografts eller porcine xenografts. Dessa är bara temporerande åtgärder för att ge tillväxtfaktorer för sårläkning, eftersom värdens immunsvar orsakar transplantatavstötning veckorna efter implantation .
Vävnadstillgänglighet och transplantatimmunogenicitet är vanliga problem inom alla områden av transplantationsmedicin. Hudtransplantation är inget undantag, vilket sporrar utvecklingen av vävnadstekniska hudersättningar. Den första av dessa substitut var kända som matrisbaserade produkter, som fortsätter att användas idag. Dessa matriser implanteras vid sårbädden, där de fungerar som mallar för revaskularisering och dermal regenerering. Men fullständig sårläkning kräver fortfarande ofta epidermal täckning av neodermis genom hudtransplantat eller klaff, även om vissa små defekter kan lämnas för att läka av sekundär avsikt . Nyare utveckling inom vävnadsteknik har lett till tillämpning av cellbaserade terapier. I motsats till att skörda områden av dermal vävnad kan keratinocyter nu skördas från patienter. Efterföljande ex vivo-expansion möjliggör därigenom produktion av ett autologt epidermalt transplantat. Produkten är dock mycket tunn, ömtålig och relativt dyr att producera .
det är uppenbart att det har gjorts flera försök att öka effektiviteten hos sårläkningstekniker, samt skapa effektivare och pålitliga transplantat. Tyvärr visar även de mest avancerade konstruerade hudersättarna begränsningar; de är mycket dyra, är inte alltid effektiva och kan inte helt rekonstituera hudbilagor. Ett annat tillvägagångssätt för sårläkning är därför nödvändigt för att övervinna nuvarande hinder i sårterapi och skapa mer pragmatiska och effektiva lösningar på sårrelaterade problem . Stamcellernas pluripotenta natur antyder att de kan ge ett sätt att övervinna åtminstone några av de ovan nämnda hindren för optimal sårhantering.
6. Stamceller och sårläkning
för att celler ska klassificeras som stamceller måste de uppfylla två kriterier: de måste ha en långvarig kapacitet för självförnyelse och de måste kunna använda asymmetrisk uppdelning för att differentiera till mer specialiserade celltyper . Dessa egenskaper ger en uppsättning unika förmågor i dessa typer av celler, som kan utnyttjas för att hjälpa regenererings-och reparationsprocessen i skadad hud. Studier med modeller av vävnadsskada har visat att allvarlig skada har resulterat i en dramatisk ökning av antalet stamceller som cirkulerar i blod . Vidare befanns cirkulerande benmärgs-härledda celler lokalisera till sårstället där de också differentierades till icke-hematopoietiska hudstrukturer . Andra sådana fynd tyder också på att stamceller spelar en mycket viktig roll i sårläkningsprocessen, och ytterligare studier behövs för att bättre förstå de underliggande mekanismerna. Detta avsnitt kommer att utarbeta anmärkningsvärda fynd i sårläkningstillämpningar av olika stamcellspopulationer (Figur 1), såsom mesenkymala stamceller (MSC) (inklusive adiposa härledda stamceller (ASCs)), inducerade pluripotenta stamceller (iPSCs) och embryonala stamceller (Esc).
majoriteten av studierna som tittar på potentiella stamcellsrelaterade sårläkningsbehandlingar har centrerats på vuxna stamceller, särskilt mesenkymala stamceller (MSC). MSC kan självförnyas och har visat stort löfte för att behandla vävnadsskador som involverar immunsvar . MSC kan skördas från patientens benmärg, fettvävnad, navelsträngsblod och dermis . Inte bara avstår autologa MSC riskerna för transplantatavstötning, de förstås också att hämma det inflammatoriska svaret vid sårbädden, vilket annars kan försämra effektiv vävnadsregenerering . Dessutom har benmärgs-härledda MSC (BM-MSC) visat sig syntetisera högre mängder kollagen, tillväxtfaktorer och angiogena faktorer än de inhemska dermala fibroblasterna, vilket tyder på att de kan implanteras i sår för att öka läkningshastigheten utan att framkalla något immunsvar. En fallstudie visade också stängning av ett motstridigt diabetiskt fotsår behandlat med en kombination av direkt BM-MSC till sårbädden täckt med en biografi bestående av autologa hudfibroblaster i ett kollagenmembran . Infektion komplicerar också ofta hanteringen av kroniska sår och presenterar en ytterligare fråga att ta itu med i behandlingen. En annan mekanism genom vilken MSC kan öka sårläkningsresponsen är via antimikrobiell peptidsekretion . Vid inriktning på många aspekter av sårläkning erbjuder stamceller således en mångsidig behandling för sår som inte har svarat på standardvård.
Även om MSC har visat en konsekvent förmåga att öka graden av sårläkning i olika scenarier, finns det fortfarande vissa nackdelar med dessa terapier. Till exempel är MSC ett praktiskt tillvägagångssätt för små sår, men det är omöjligt att odla tillräckligt med MSC för att applicera på ett stort sår. Dessutom minskar populationen av MSC inom människor över tiden, vilket eventuellt eliminerar möjligheten att använda autologa MSC för behandling i de äldre generationerna . Medan MSC har observerats att direkt bidra till sårläkning via transdifferentiering till keratinocyter , tros parakrinmekanismer generellt spela en mycket viktigare roll . Därför kan färre celler krävas för klinisk effekt, kringgå potentiella begränsningar för stamcellsbaserade sårterapier och upprätthålla dem som spännande metoder för att förbättra sårläkning.
medan kirurgisk manipulation och skörd av fettvävnad i allmänhet är enkla procedurer är själva vävnaden komplex. Fettvävnad består av en uppsjö av celler inklusive adipocyter, glatta muskelceller, fibroblaster, makrofager, endotelceller och lymfocyter, såväl som fett-härledda stamceller (ASCs). ASCs är en klass av MSC, pluripotenta celler som kan differentiera till ben, brosk, senor och fett, förutsatt att de odlas under nödvändiga förhållanden. De delar en nästan lika potential med MSC för att differentiera till celler av mesodermalt ursprung men föredras på grund av deras breda tillgänglighet och relativa lätthet att skörda tillräckliga cellnummer . ASCs har visat sig främja human dermal fibroblastproliferation vid sårstället genom utsöndring av parakrinfaktorer, vilket i slutändan ökar graden av sårläkning . En annan studie visade att ASCs, under hypoxiska tillstånd på grund av inflammation, signifikant ökar nivåerna av kollagensyntes och hjälper till att minska sårområdet. Ytterligare studie visade att detta uppnåddes genom uppreglering av imperativa tillväxtfaktorer, vaskulär endoteltillväxtfaktor (VEGF) och grundläggande fibroblasttillväxtfaktor (bFGF) . Sådana bevis visar det enorma löftet om ASC i framtida sårhantering.
flera problem har uppstått när det gäller MSC och ASC användning. Den lilla populationen av tillgängliga MSC och nödvändigheten av smärtsamma invasiva skördeförfaranden har delvis kringgåtts genom att flytta till ASC-applikationer . Men ett antal andra frågor kvarstår. Effekten av någon cellbaserad terapi kräver att tillräckligt antal celler administreras, vilket ofta har lett till ex vivo-expansion av MSC för klinisk användning. Detta kan vara problematiskt eftersom långsiktig kultur kan resultera i epigenetiska och fenotypiska förändringar i cellpopulationer, som potentiellt påverkar effekten eller sämre, vilket resulterar i skadliga mutationer . Bioreaktorer med slutna system erbjuder ett sätt att öka cellantalet och minska variationen i odlingsmetoder, vilket ökar potentialen för storskalig klinisk användning . Med tanke på utmaningarna med ex vivo stamcellsodling, förutom fynd som en gång transplanterats, är MSC-överlevnad ofta kortlivad och deras effekter övergående, tekniker för att förbättra deras effektivitet är också starkt eftertraktade . Olika utvecklingar har inträffat för att förbättra sättet att administrera celler, såsom inom fibrinsprayer . Att förbättra den lokala mikromiljön hos transplanterade stamceller, till exempel genom sådd av dem i humana kollagenmatriser , ger ett medel för optimering av cellleverans och överlevnad. Stamcellsförbättring är inte begränsad till kollagenställningar, eftersom hydrogeler och silkesfibroinställningar också har förbättrat sårläkningsegenskaper hos samtidigt administrerade stamceller . Nya metoder för att rikta stamceller till önskade vävnader med peptid-eller antikroppsmarkering kan potentiellt eliminera behovet av direkt administrering . Att utnyttja potentialen hos stamceller i sårterapi har skapat stora möjligheter till innovation, både vad gäller grundvetenskaplig forskning och kommersialisering av ny teknik. Eftersom cellterapier fortsätter att optimeras kommer fler applikationer av vuxna stamceller som ASCs och MSCs att utvecklas för användning av plastikkirurger.
den häpnadsväckande proliferativa kapaciteten hos embryot föreslog att studien av embryonala stamceller (ESC) kan främja vår förståelse av regenerativa processer och ge mer optimala sårbehandlingar. Medan embryon ursprungligen hade betraktats som en viktig källa till pluripotenta stamceller, har Esc varit ett ämne för extrem kontrovers i USA, och tillgången till dessa celler tidigare har varit mycket begränsad. ESCs härleds från den inre cellmassan av blastocysten, ett tidigt stadium preimplantation embryo. Således kan Esc inte skördas från patienten och deras direkta användning skulle innebära alla nackdelar med allografting, förutom etiska problem i samband med embryonal vävnad . Medan ESCs själva är mindre lämpliga för vävnadstransplantation, ger de potentialen att öka fysiologiska läkningsprocesser via parakrinmekanismer. Till exempel utsöndrar ESC-härledda endotelceller en mängd cytokinfaktorer som leder till förbättrad sårläkning .slutligen beskrev landmärkestudien utförd av Takahashi och Yamanaka 2006 en metod för omprogrammering av vuxna celler tillbaka till ett embryonalt tillstånd, benämnt inducerade pluripotenta stamceller (iPSCs) . Dessa celler öppnade många nya vägar i stamcellsforskning genom att kringgå etiska kontroverser och problem i samband med exogen vävnadsavstötning. En studie lyckades omprogrammera dermala fibroblaster till iPSCs, utan användning av en viral vektor, vilket innebar att iPSCs kunde härledas för de sjuka och/eller äldre patienter som sannolikt behöver dem mer . En annan studie har visat att iPSC-härledda fibroblaster visar en ökad produktion av extracellulära matrisproteiner som också kan öka sårläkningshastigheten . IPSCs Roll fortsätter att expandera över många forskningsområden, från grundläggande till translationella vetenskaper. År 2014 blev ett japanskt lag det första som administrerade iPSCs kliniskt, i detta fall för behandling av åldersrelaterad makuladegenerering. Tillförlitliga iPSC – baserade terapier för sårhantering förblir emellertid svårfångade, delvis när vi fortsätter att vänta på resultaten av deras första kliniska tillämpning. Administrering av dedifferentierade pluripotenta celler medför risker för efterföljande tumörbildning och därför måste långsiktiga preliminära studier genomföras före eventuell spridning när det gäller deras kliniska användning. Vi måste fortsätta att utöka vår förståelse för hur de kan modulera sårmiljön, samtidigt som vi förbättrar vår förmåga att manipulera dem in vitro och in vivo. På detta sätt kan vi mer effektivt översätta våra upptäckter från bänk till säng.
frågor som rör sårläkning visar en betydande börda för sjukvården som helhet, men deras negativa psykosociala påverkan på patienter är omätbar. Traditionella sårläkningstekniker, inklusive hudtransplantation och vävnadstekniska hudersättningar, förblir ovärderliga i klinisk praxis. Den växande förekomsten av motstridiga sår går dock hand i hand med ökningen av kronisk sjukdom. Det är därför absolut nödvändigt att äldre sårhanteringstekniker kompletteras med nya cellbaserade terapier för att ta itu med begränsningarna för nuvarande behandlingar.
intressekonflikt
författarna förklarar att det inte finns någon intressekonflikt när det gäller publiceringen av detta dokument.
författarnas bidrag
Michael S. Hu, Tripp Leavitt och Samir Malhotra bidrog lika mycket till detta arbete.
