2022年2022年骨髓间充质干细胞在组织损伤局部微环境中的调节作用 .pdf

生命科学Chinese Bulletin of Life Sciences第22卷 第9期2010 年 9 月Vol.22,No.9Sep.,2010文章编号：1004-0374(2010)09-0832-05收稿日期：2010-01-25；修回日期：2010-06-17基金项目：国家自然科学基金项目(30872670);重庆卫生局重点项目*通讯作者：E-mail：；Tel:023-63630913骨髓间充质干细胞在组织损伤局部微环境中的调节作用张赟，陈洁*，李廷玉(重庆医科大学附属儿童医院儿童营养研究中心，重庆 400014)摘要：骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一种具有自我增殖和多向分化潜能的细胞，植入体内后对损伤组织具有一定的修复作用，研究发现MSCs 在体内的分化效率极低(不足10%)，故仅用其分化能力不能完全解释它良好的修复效能。新近研究表明，MSCs 可通过旁分泌途径调节损伤局部的微环境，从而促进受损组织的修复，提示这种微环境的调节较其自身分化更具有临床意义。该文对MSCs 在组织损伤局部微环境中的调节作用做一简要概述，为MSCs 更广阔地应用于医学领域提供理论基 础。关键词：骨髓间充质干细胞；损伤组织；微环境调节中图分类号：Q813；Q26 文献标识码：ARegulation effects of the bone marrow-derived mesenchymal stem cells inlocal microenvironment of injury tissueZHANG Yun,CHEN Jie*,LI Ting-yu(Childrens Nutrition Research Center,Childrens Hospital of Chongqing Medical University,Chongqing 400014,China)Abstract:Bone marrow-derived mesenchymal stem cells(MSCs)are a kind of self-renewal and multipotential cells,and have restoration effects on injured tissue following transplantation in vivo.However,the low differentiationefficiency(less than 10%)of MSCs in vivocould not explain its recovery function in theory.Recent studies havereported that MSCs can regulate the local injury microenvironment via paracrinal pathways and facilitate therestore of impaired tissues,indicating that the microenvironment regulation of MSCs plays more important rolethan its differentiation in clinical recovery.The current paper reviewed the regulatory effects of MSCs in localmicroenvironment of damaged tissue,providing theoretical basis for broadly clinical application of MSCstransplantation therapy.Key words:mesenchymal stem cells(MSCs);injured tissue;regulation of microenvironment骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是存在于骨髓、外周血和脐血等组织中的一种具有高度自我更新能力的成体干细胞。由于其具有来源充足、取材方便、对机体损伤小、排斥反应极弱、体外扩增能力强、能定向分化、易于基因操作、组织相容性好以及不受伦理学限制等优点，目前广泛用于细胞移植、基因工程和组织工程等方面的研究和治疗。在不同诱导条件下，MSCs可以分化为各种中胚层和神经外胚层来源的细胞，包括软骨细胞、骨细胞、脂肪细胞、肌细胞、神经细胞和内皮细胞等1，用于修复组织损伤和治疗疾病。大量研究发现，MSCs在体外实验中诱导分化效率较高(80%90%)，而植入体内后的分化能力却极低(不足 10%)。因此，仅用直接分化为有功能 评述与综述名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 5 页 -833第 9期张赟，等：骨髓间充质干细胞在组织损伤局部微环境中的调节作用的细胞似乎不足以解释 MSCs 在组织损伤修复中的作用。目前已有研究发现，MSCs 可以通过分泌细胞因子来调节损伤局部的微环境，刺激内源性干细胞样细胞/祖细胞的增殖和分化2，降低炎症反应3-6和免疫反应 7，从而促进受损组织的再生修复能力。因此，在MSCs 损伤修复的作用中，对局部损伤组织微环境的调节可能比其直接分化更加有效，这也许能够更好地解释MSCs 的损伤修复作用。1MSCs 的神经保护作用将 MSCs移植到新生小鼠的中枢神经系统，它可以在整个大脑中持久地移行并呈现出星形胶质细胞及神经元的形态和表型特征 8,9，这为中风、创伤性脑损伤、脊髓损伤和帕金森病等神经系统疾病的治疗带来了新的希望。Crigler 等10通过ELISA法检测 MSCs 与成神经瘤细胞的共培养体系中脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)和-神经生长因子(nerve growth factor,NGF)的表达水平，评估MSCs促进神经细胞存活和神经再生的效应，进一步阐明了MSCs 不同亚群在神经障碍性疾病中的疗效。另外，Garc a 等11将大鼠 MSCs体外培养至6 代后，经RT-PCR 分析发现，MSC s 可产生 NGF，从而抑制脊髓损伤后神经元的凋亡、促进残存神经元出芽、增加神经元可塑性，上调生长相关蛋白 43 表达12。通过静脉移植MSCs可以降低凋亡细胞的总数，增加局部缺氧脑区B D N F、NGF、成纤维细胞生长因子-2(fibroblast growthfactor,FGF2)的水平，同时增加同侧室下区有丝分裂细胞的数量13,14。因此，MSCs 的神经保护作用可能是基于神经营养因子和一些细胞因子的产生，通过刺激内源性细胞增殖，减少受损细胞死亡，从而促进损伤组织的修复和再生。2MSCs 的成骨作用将 MSCs植入骨骼缺陷的实验动物体内，利用对损伤的修复效能来评估其成骨作用，随后则应用在成骨不全症患者、骨遗传缺陷和其他一些因型胶原基因突变而引起的组织缺陷中15。在长期体外培养过程中，MSCs 可以自发成骨分化。Seib等16研究发现，在hMSCs 原位骨分化过程中，它可以持续表达具有生物活性的内源性骨形成蛋白-2、4、6(bone morphogenetic proteins,BMPs)及其活性受体，从而诱导碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)的活性，上调暴露于BMP-2 的成骨蛋白(ALP、BSP1、型胶原和Runx2 等)编码基因的表达；另一方面，抑制BMP 活性则显著降低AL P 的活性，下调与成骨相关转录因子Runx2 的表达。Potier 等17在研究缺氧对MSCs成骨分化的作用时提出，短暂缺氧对 MSCs 的存活没有影响，持久不供氧则下调cbfa-1/Runx2、骨钙素、型胶原的表达，上调骨桥蛋白质的mRNA 表达水平；同时，在短暂缺氧条件下，血管内皮生长因子(vascular endothelialgrowth factor,VEGF)的表达无论在 mRNA水平还是蛋白质水平都成两倍的增长，而其他一些由MSCs分泌的生长因子和细胞因子，如碱性成纤维细胞生长因子、转化生长因子-1(transforming growth fac-tor-1,TGF-1)和白细胞介素-8(interleukin-8,IL-8)的表达则变化不大。在早期hMSCs 成骨分化过程中，D ug ue 等 1 8应用小干扰RNA 阻断干扰素-(interferon-,IFN-)的内源性分泌，可以观察到很强地抑制h MSCs 的成骨分化作用，同时伴随着Runx2 的减少；外源性添加IFN-则促进 hMSCs成骨分化，在分化早期还可以诱导Runx2 高表达。综上所述，在MSCs 成骨分化过程中，VEG F、B MP、TGF 等参与诱导分化，促进细胞增殖、胶原合成、血管生长和骨的吸收重塑。3MSCs 在心血管系统中的作用血管受损后需要修复的不仅仅是它的形态和结构，更重要的是功能的修复。基因表达序列分析研究显示无论是来源于人类或鼠类的MSCs，都可以在局部微环境的诱导下表达大量血管生成因子和调节内皮细胞运动的蛋白，如VEGF、肝细胞生长因子、肾上腺髓质蛋白、血小板生长因子等，以保护因缺血所导致的心肌细胞和血管内皮细胞的死亡，加快受损血管的内皮化，改善血管重构，从而修复受损心脏19。Tang等20给心肌梗死大鼠移植了自体的MSCs，2 个月后发现VEGF的表达水平显著上升，梗死区的血管密度和局部血流增加，心肌细胞的凋亡减少，从而使心肌梗死面积缩小，心肌收缩力提高，心功能得以改善。Dai等21利用 MSCs和心肌细胞体外共培养模型，通过Q-PCR法检测发现，由 MSCs 释放的 VEGF 的显著升高和缺氧情况下高水平的缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor-1 ,HIF-1 )之间存在时间依从性，而且在加入HIF-1 抗体后，VEGF 的分泌以及MSCs 的心肌保护作用被消除；激活HI F-1则可以上调VEGF 的分泌，从而达到心肌保护作用。与此同时，Gnecchi等22名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 5 页 -834生命科学第 22卷和 Chien23也发现，在心肌梗死的大鼠体内，通过静脉植入方式，只有少量MSCs 迁移到组织损伤部位，而局部损伤微环境中却有大量肝细胞生长因子、内皮细胞生长因子、胰岛素样生长因子-1、肿瘤转化因子 1 等的分泌，它们可以促进血管新生，抑制局部免疫反应、细胞凋亡和组织纤维化。Hattori 等24报道MSCs 分泌的 VEGF 和血管生成素-1如同神经营养素一样，可以促进造血细胞增殖，诱导毛细血管生成和窦状隙扩大，同时在脉管生长和重塑中也发挥重要作用。上述研究表明：MSCs也可以通过旁分泌途径促进新生血管的发生，而不仅仅通过被诱导分化为心肌细胞或血管内皮细胞来显著影响受损心肌的修复。4MSCs在呼吸系统中的作用特发性肺纤维化的炎症反应是由活化的巨噬细胞、IL-1 和肿瘤坏死因子-(tumor necrosis factor,TNF-)介导的。它们可以诱导内皮细胞表达黏附分子和炎症趋化因子，从而使白细胞聚集到损伤部位25;同时，IL-1 和 TNF-还可以刺激内皮细胞和成纤维细胞的增殖，促进损伤部位的血供，形成瘢痕组织而达到损伤组织的修复26。Ortiz 等27的研究表明，MSCs 可产生肿瘤坏死因子拮抗剂及其他一些细胞因子阻断肺纤维化的信号通路，从而缓解肺组织损伤后的纤维化程度。在博来霉素诱导的肺损伤中，MSCs通过改变损伤局部的微环境来保护受损组织。Ortiz 等28的研究进一步表明，将经免疫耗竭法纯化的MSCs 植入到博来霉素损伤的肺组织中，虽然通过荧光原位杂交技术观察到植入的MSCs迁移到博来霉素诱导的肺损伤部位，并表现出上皮样细胞的表型，但由MSCs 分化为肺泡上皮细胞的分化效率却极低；同时通过对比实验发现，MSCs的植入可显著降低肺部损伤引起的炎症反应，减少胶原蛋白沉积，抑制基 质 金 属 蛋 白 酶 的 活 性，促 进 肺 损 伤 的 修 复。MSCs 也表达高水平的 IL-1RN(IL-1 receptor antagonist),用来消除促炎因子IL-1 的作用，改善博来霉素诱导的小鼠肺损伤。5MSCs在泌尿系统中的作用MSCs可以促进各种组织类型细胞的更新和修复，包括肾脏29,30。Kunter 等31在大鼠发生急性肾衰竭两天后，通过左肾动脉移植MSCs，可以促进受损肾小球膜的快速修复和肾小球动脉细胞的增殖，减少28%的蛋白尿。在体外研究中，他们还发现 MSCs 可以分泌大量的VEGF 和 TGF-，通过旁分泌途径促进肾脏损伤的修复。在急性肾小管损伤时，表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)在肾组织内的表达增多，可增强肾小管细胞的再生和修复能力，加快肾功能的恢复 32。另外，也有研究发现MSCs通过释放大量的前血管源性血管内皮生长因子和促纤维化转化生长因子-1，从而在缺血再灌注诱导的急性肾功能衰竭中发挥有益的作用 3 3,3 4。总而言之，MSCs促进小管细胞的修复，短期内并不是或不主要是通过自身的分化功能起作用，而可能通过减轻炎症反应，增加肾组织微环境中有利于肾小管上皮细胞修复的细胞因子的分泌，如EGF、造血生长因子(hematopoietic growth factor,HGF)、血小板源性生长因子(platelet-derived growthfactor,PDGF)等在肾组织内的表达，这可能是MSCs 促进肾小管上皮细胞快速修复的主要机制之一。6MSCs在感光系统中的作用Chen 等35研究表明，MSCs 的培养上清可以促进感光细胞的增殖，虽然关于MSCs修复光感受器的机制仍在进一步的研究中，但目前认为可能是由于移植 MSCs 后释放的营养因子改善了局部微环境，而不是直接分化为感光细胞而起作用，这也与体外实验的结果相一致36。7结语在不同的损伤部位，MSCs表达的调节蛋白和细胞因子是不完全相同的，从而发挥着不尽相同的作用，但总的来说，它们都在一定程度上促进组织损伤的修复，提高了疾病的疗效。目前，虽然对于 MSCs 在不同损伤微环境中的修复机制尚不完全明确，但随着不断的研究和探索，我们相信MSCs在损伤微环境中的调节作用会更有助于干细胞移植治疗的推广应用。参考文献1Oswald J,Boxbenger S,Jorgensen B,et al.Mesenchymalstem cells can be differentiated into endothelial cellsi n vitro.Stem Cells,2004,22(3):377-842Munoz JR,Stoutenger BR,Robinson AP,et al.Human stem/progenitor cells from bone marrow promote neurogenesis ofendogenous neural stem cells in the hippocampus of mice.Proc Natl Acad Sci USA,2005,102(50):18171-6名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 5 页 -835第 9期张赟，等：骨髓间充质干细胞在组织损伤局部微环境中的调节作用3Ortiz LA,Dutreil M,Fattman C,et al.Interleukin 1 recep-tor antagonist mediates the antiinflammatory and antifibroticeffect of mesenchymal stem cells during lung injury.ProcNatl Acad Sci USA,2007,104(26):11002-74Xu J,Woods CR,Mora AL,et al.Prevention of endotoxin-induced systemic response by bone marrow-derived mesen-chymal stem cells in mice.Am J 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