间充质干细胞作用机理(间充质干细胞发挥作用的方式)

导语：间充质干细胞作用机制的研究进展

间充质干细胞 (mesenchymal stem cells, MSCs) 来源于胚胎发育早期的中胚层, 是一种异质性的细胞群体, 机体内的 MSCs 包含自胚胎发育早期及之后不同发育阶段的干细胞及分化后代。人体几乎所有的组织都含有 MSCs , 多种组织和器官中 MSCs 含量丰富, 如骨髓、脂肪、牙髓、脐带和胎盘等, 不同来源的 MSCs 蛋白质表达谱系不同, 其特性也略有差异, 但都满足国际细胞治疗协会制定的 MSCs 鉴定最低标准, 普遍具有自我更新能力、多向分化潜能和免疫调节等功能。

一.多向分化潜能：

MSCs 具有分化成多种细胞类型的潜能, 在特定信号和局部微环境的刺激下通过调控基因的差异性表达，不仅可以分化为中胚层来源的细胞类型，包括心肌细胞， 血管内皮细胞，成脂、成骨和成软骨等细胞，也可以转分化为消化道上皮细胞、肺细胞、肠道上皮细胞、肌肉细胞等内胚层来源的细胞，还可以转分化为表皮细胞和神经细胞等外胚层来源的细胞。

二、生物活性物质：

MSCs 旁分泌作用可以产生大量的可溶性细胞因子、趋化因子和生长因子等促进组织损伤的修复，通常被认为是 MSCs 参与组织损伤修复的主要机制。此外，MSCs 还通过产生膜结合的小分子蛋白发挥作用，如整合素家族蛋白和黏附分子等，包括旁分泌因子和膜结合的小分子蛋白在内的大量生物活性物质协同作用形成一个综合的复杂调控网络，可激活靶细胞内多条信号通路。

1.免疫调节相关因子：

MSCs 可产生多种免疫调节因子，无论对自体还是同种异体的免疫细胞，无论对固有免疫细胞还是获得性免疫细胞都能发挥免疫调节作用。

不同种属之间 MSCs 发挥免疫调节作用的因子存在明显的差异，如人和小鼠的 MSCs 通过不同的细胞因子发挥对淋巴细胞的抑制作用。人源 MSCs 通过产生大量的 I DO (仅少量的NO) 在抑制淋巴细胞活性和增强调节性 T 细胞的功能方面发挥主要作用；而鼠源 MSCs 则是通过一氧化氮合成酶 (inducible nitric oxide synthase, iNOS) 产生大量 NO 在抑制淋巴细胞活性方面发挥关键作用。

2.血管新生相关因子：

间充质干细胞移植后，可有效改善动物模型的心肌梗死和冠状动脉性心脏病，MSCs 发挥作用的机制是诱导血管新生 (angiogenesis) 和动脉生成 (arteriogenesis)。血管新生主要在原有毛细血管或微静脉基础上通过血管内皮细胞的增殖和迁移，从先前存在的血管处以芽生或非芽生(或称套叠)的形式生成新的毛细血管网。

动脉生成是指新形成或原有的血管沟重塑形成更大并肌组织化的小动脉和侧副管。 血管生成受血管新生诱导因子和抑制因子紧密调控，称之为 “血管新生开关”。只有当组织微环境中血管新生诱导因子和促进血管新生的黏附分子受体的浓度达到一定水平, 才会逐渐启动血管新生的进程。

3.抗凋亡相关因子：

MSCs 既可以直接产生抑制细胞凋亡的蛋白，也可以通过旁分泌作用影响细胞凋亡的信号通路。 MSCs 产生的抑制细胞凋亡蛋白包括 B 细胞淋巴瘤因子 2(B cell lymphoma 2, Bcl-2)、存活素 ( survivin ) 和蛋白激酶 B (protein kinase B， PKB 也称为 Akt )。MSCs 产生的 抗凋亡相关细胞因子包括 VEGF，IL-10 ， HGF ，斯钙素1 (stanniocalcin-1，STC1) 和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子 (granulocyte-macrophage colony stimulating factor, GM-CSF) 等。

Bcl-2 蛋白家族分为两类，抑制细胞凋亡的蛋白 ( Bcl-2 和 Bcl-xL ) 或促进细胞凋亡的蛋白( Bax，Bak 和 Bad )。 Bcl-2 和 Bax 蛋白均可在细胞周期检验点的上游发挥作用， 通过激活 caspase-3 调节细胞凋亡的进程。当 Bcl-2 蛋白表达占优势时，可抑制 caspase 活化受体的释放，此时细胞不易对促细胞凋亡信号进行应答；相反，当 Bax 蛋白表达占优势时，可促进细胞程序性调亡。

4.抗氧化相关因子：

当受到生理或病理等内外环境因素刺激时，机体的氧化和抗氧化系统之间的稳态和平衡被破坏，从而导致细胞内活性氧分子的大量产生和积累, 造成氧化应激。 氧化应激造成的过多活性氧分子会刺激细胞引发脂质过氧化反应， 使细胞的结构以及功能遭到破坏。

5.抗纤维化相关因子：

纤维化发生的机制尚不明确，在纤维化的局部微环境，成纤维细胞被激活导致细胞外基质组分特别是 Ⅰ 型胶原蛋白的聚集，组织肌肉修复相关一系列基因的转录水平下调，细胞因子和生长因子的表达水平下降，从而抑制了组织的再生能力。因此，细胞外基质组分的降解对于降低组织纤维化的程度和促进肌肉内源性再生起到关键作用。

研究发现，MSCs 的抗纤维化作用与免疫调节，促进血管新生和抗炎等协同发挥作用， MSCs 对多种组织纤维化疾病模型都有很好的治疗效果。

6.趋化作用相关因子：

动物实验研究中发现，无论是静脉回输移植还是局部组织注射， MSCs 具有快速迁移到机体炎症发生部位并滞留在炎症部位发挥抗炎和免疫调节的作用。自体或外源性MSCs，在 机体面临缺血、缺氧或组织损伤等因素的刺激下，能定向趋化性迁移，越过血管内皮细胞至靶向组织并定植存活的过程称为“归巢”。

三、免疫调节作用

MSCs 的免疫调节作用具有很强的可塑性，局部微环境刺激因子的种类和数量不同，静息状态的 MSCs 既可以被激活变为促炎的 MSC1 型，也可以被激活转变为抗炎的 MSC2 型。

在大量促炎因子 (如 IFN-γ , TNF-α 等) 刺激下，或 TLR3 激活后，静息状态的 MSCs 会被激活转变为抗炎 MSC2 型， 产生大量的 NO/IDO 等免疫调节因子以及趋化因子，通过抑制效应性 T 细胞的功能， 诱导调节性 T 细胞 ( Treg ) 产生等机制发挥免疫抑制作用。而在低水平的促炎因子 (如少量 IFN-γ , TNFα 等) , 或 TLR4 激活后， 或高水平的抗炎因子 (如 TGF-β, IL-10 等) 刺激下，静息状态的 MSCs 会转变为促炎 MSC1 型。 促炎 MSC1 仅产生少量免疫调节因子, 通过释放趋化因子募集淋巴细胞到达炎症发生部位， 可促进效应性 T 细胞的增殖、激活和分化，抑制调节性T细胞的产生。

四、细胞间物质传输

胞外囊泡是一类重要的细胞间传输介质， 在细胞与细胞之间物质传输和信号交流方面发挥至关重要的作用。MSCs 产生的胞外囊泡其内包裹的生物活性物质具有免疫调节作用，还 可对多种组织损伤进行修复。 此外, MSCs 与靶细胞之间还可通过形成隧道纳米管、主动转运线粒体和内质网等细胞器以及其他胞质成分。间充质干细胞通过胞外囊泡和隧道纳米管进行细胞与细胞间的物质传输通常认为是旁分泌机制的不同作用方式。

五、表观遗传学调控

表观遗传学调控是指在不改变DNA序列的情况 下，由染色质变化导致基因功能发生可遗传的改变，主要包括4个方面：DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质 重塑和非编码RNA的调控。

表观遗传学调控在 MSCs 干性的维持、细胞分化、细胞衰老、 细胞转分化以及细胞稳态的维持等方面发挥关键作用。 MSCs 的多谱系分化能力，正是由于 MSCs 受表观遗传学调控后细胞内特定基因差异性表达的结果。表观遗传学调控发生在 MSCs 特定基因的转录调节区，主要通过对 DNA 的修饰 ( DNA 的甲基化) 和染色质结构的改变 ( 组蛋白修饰和染色质重塑 ) 来实现。非编码 RNA 的调控也是表观遗传学调控的重要方式之一， 可影响 MSCs的增殖、分化和衰老等细胞进程。

MSCs 表观遗传学调控相关的研究大部分集中在 MSCs 的细胞分化和转分化领域。 MSCs 细胞内 DNA 和组蛋白上发生的可逆化学修饰, 能改变 MSCs 的分化潜能，并决定细胞最终的分化命运。

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