骨髓间充质干细胞在组织修复中的作用

王 蕾白 海*

（1 兰州军区兰州总医院血液科，全军血液病中心，甘肃 兰州 730050；2 兰州大学第二临床医学院血液科，甘肃 兰州 730050）

骨髓间充质干细胞在组织修复中的作用

王 蕾1,2白 海1*

（1 兰州军区兰州总医院血液科，全军血液病中心，甘肃 兰州 730050；2 兰州大学第二临床医学院血液科，甘肃 兰州 730050）

间充质干细胞（MSC）是干细胞家族的重要成员，来源于发育早期的中胚层和外胚层。MSC最初在骨髓中发现，随后还发现存在于人体发生、发育过程的多种组织中，由于骨髓是其主要来源，因此统称为骨髓间充质干细胞。因BMSCs具有多向分化潜能、造血支持和促进干细胞植入、免疫调控和自我复制等特点而日益受到人们的关注。己经成为治疗多种组织损伤性疾病的理想种子细胞。

骨髓间充干细胞；组织修复；归巢；旁分泌；免疫调节

骨髓中除含有能分化成各种血细胞的造血干细胞之外，还含有基质细胞系的干细胞即间充质干细胞。BMSCs具备了胚胎干细胞的生物学特性，有较强的可塑性，在一定环境和特异的因子诱导下，具有向多种细胞系分化的潜能，可分化为骨细胞、软骨细胞、心肌细胞、血管内皮细胞、神经元样细胞、脂肪细胞、胰岛细胞和肝细胞等3个胚层细胞。BMSCs移植后具有定向分化和旁分泌功能，而且在同种异体内具有低免疫原性和免疫调节作用，从而使干细胞移植避免了同种异体MHC配型的局限性，可作为理想的种子细胞用于衰老和病变引起的组织器官损伤修复。本文就此综述如下。

1 骨髓间充质干细胞的归巢

归巢是指自体或外源性BMSCs在多种因素作用下，定向趋向性迁移越过血管内皮细胞至靶组织并定植存活的过程[1]。微环境的改变是BMSCs归巢的始动因素，损伤的组织和损伤后激活的细胞通过释放多种趋化因子、黏附因子和生长因子，刺激BMSCs迁移到受损部位。损伤后的微环境利于动员代偿反应机制，可能与损伤情况下启动了BMSCs某些信号分子应答上调有关。BMSCs向损伤或缺血等组织的归巢行为和所涉及的一系列分子与白细胞向炎性组织的归巢机制十分相似。尽管MSCs向损伤或缺血组织的归巢的具体机制至今仍尚不明确。但一般认为与以下几方面因素有关：

1.1 趋化因子

BMSCs表达不同的趋化因子受体（如CCR1、CCR7、CXCR4、CXCR6和CX3CR1等），因而可以依浓度梯度向不同的趋化因子（如CXCL12、CX3CL1、CXCL6和CCL19等）趋化迁移，因此表达不同趋化因子受体是BMSCs归巢至损伤组织所必需的[2]。目前的研究认为CXCL12/CXCR4轴是BMSCs向损伤组织归巢的最要的生物轴[3]。CXCL12是一种含CXC模序趋化因子家族成员，也称为基质细胞衍生因子-1(stromal cell derived factor-1，SDF-1)，损伤组织局部浓度很高，MSCs表面表达其受体CXCR4，CXCL12可将MSCs募集到损伤位点参与组织修复，具有抑制BMSCs凋亡，增加其存活率及增殖活性等作用。Lee等人在应用BMSCs治疗严重大脑中动脉卒中的患者，证明了MSCs与CXCL12有协同作用[4]。抑制CXCL12/CXCR4轴可降低MSCs归巢到损伤位点的效率。目前大多数学者倾向于BMSCs的迁移主要是趋化因子家族及其受体的操控，但目前为止并没达成共识。

1.2 黏附分子

BMSCs的归巢和植入与白细胞迁移至炎症部位或淋巴细胞归巢相似，BMSCs需要经过在内皮细胞上捕获、滚动黏附，然后穿过血管内皮细胞层及基底膜进入损伤组织[5]。这一过程需要很多黏附分子参与，如E-选择素、CD44、CD31、CD105、血管细胞黏附因子1( vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1，即CD106)、CD54、CD29、整合素、结合黏附分子、钙黏着糖蛋白等。迟发抗原4( very late antigen-4，VLA-4)是CD106的配体，VCAM-1与VLA-4构成的VLA-4/VCAM-1轴在紧密黏附过程中起重要作用。Segers等研究发现，在静态培养的MSCs中加入VCAM-1的抗体后，MSCs对心脏毛细血管的内皮细胞的黏附力消失[6]。这就表明VCAM-1在MSCs的内皮黏附起重要作用。

1.3 生长因子

TGF、HGF、VEGF、IGF、PDGF、碱性成纤维生长因子等在BMSCs的归巢中发挥着重要作用。郑彦文等人[7]研究发现，组织损伤后HGF在局部的浓度提高，HGF可以增强BMSCs的迁延，对其有强烈的趋化作用，迁移效率随着HGF浓度的增加而增加。PI3K是调节细胞迁移的关键信号通路，HGF通过与BMSCs上的c-met受体结合，引起受体二聚体发生构象改变，进而激活PI3K信号通路。Ponte等人研究表明，PDGF和IGF在受损组织内高表达，对BMSCs在体内的归巢起着至关重要的趋化作用[8]。

1.4 酶

细胞发生迁移时需要降解细胞外基质与基底膜，此过程与MMP的作用密切相关。Ries等人研究发现BMSCs合成和表达基质金属蛋白酶-2、膜型金属蛋白酶、金属蛋白酶组织抑制剂等，这些蛋白有助于穿越重组细胞基底膜，在BMSCs跨内皮细胞层过程中起重要作用[9]。Neuss等研究显示，BMSCs分泌的纤溶酶(组织纤溶酶原激活物、尿激酶型纤溶酶原激活物、尿激酶型纤溶酶原激活物受体、纤溶酶原激活物抑制因子)，这些纤溶酶能促使BMSCs进入纤溶蛋白凝块并将其降解，从而使BMSCs进入损伤组织并参与组织修复重建[10]。

归巢的实质就是组织损伤后释放细胞因子，趋化那些表达相应配体的BMSCs到达损伤部位的过程。在大鼠肝损伤模型中，MSCs可定向迁移并定居于损伤的肝组织中，对该区域的肝组织有明显的修复作用[11]。Grisendi等人用MSCs治疗肿瘤，发现MSCs可归巢定位于肿瘤组织，促进肿瘤凋亡，而对正常组织没有明显毒性[12]。临床试验发现将异基因BMSCs 移植入骨严重发育不全的儿童，BMSCs可植入并参与新骨的生成。

2 骨髓间充质干细胞的旁分泌效应

细胞分泌分为自分泌、旁分泌、远距离分泌3种形式，BMSCs作为一种骨髓基质细胞的前体细胞，分泌的细胞因子主要是通过旁分泌的形式发挥作用，即分泌的细胞因子通过组织间隙作用于周围细胞，起减轻炎性反应、免疫调节、促血管生成等作用[13]。

2.1 旁分泌的物质

研究证实，BMSCs发挥作用的优势不只是由于其分化为组织特异性细胞，还因为其能分泌有改善组织微环境的物质[14]。包括：①生长因子，如VEGF、FGF、HGF、PDGF、IGF、KGF、TGF、PGF、TGF、NGF等。②白细胞介素，如IL-6、IL-7、IL-8、IL-11、IL-12、IL-14、IL-15等。③集落刺激因子，如CFU-C、GM-CSF、G-CSF、M-CSF、SCF、TPO、LIF、TPO等。④趋化因子，如中性粒细胞趋化因子（CIWC-1）、单核细胞趋化因子（MCP）等。⑤干扰素和肿瘤坏死因子，如IFN-γ、TNF-α、TNF-β。⑥其他生物活性物质，如营养因子（神经营养因子BDNF、胶质源性神经营养因子GDNF等）和酶（金属蛋白酶、纤溶酶、COX等）等其他种类的活性物质来改善组织局部及全身的微环境。

2.2 旁分泌效应在组织中的作用

组织损伤和炎性反应是同时和并存的过程，过强的炎性反应不利于组织恢复反而再次加重组织损伤，MSCs能够抑制IL-1、TNF-α、TNF-γ、一氧化氮合酶等促炎细胞因子的分泌，上调抗炎细胞因子IL-10、FGF和Bcl-2蛋白的分泌，具有明显的抑制炎性反应的作用。PGE-2是由COX-1和COX-2合成，PGE-2不仅在抗炎反应中发挥重要作用，还能抑制淋巴细胞增殖。BMSCs能够表达COX-1，而COX-2是由炎症因子（IL-1b、IL-6、IFN-r和TNF-a等）诱导产生。Tanaka等将培养的MSCs经尾静脉注射到经DSS处理的Lewis大鼠，发现一些与结肠炎症相关的细胞因子的mRNA如TNF-a/IL-1b和COX-2都减少了，BMSCs通过抗炎效应改善结肠炎症状[15]。BMSCs分泌的活性物质尤其是VEGF可影响血管细胞的增值、迁移、黏附和细胞外基质形成等血管生成的多个环节。Nguyen等用培养MSCs的上清液经冠脉内注入AMI动物模型，结果显示升高的肌钙蛋白T明显降低，各心超参数(如左室缩短率、心搏量、心室壁运动评分指数等)明显提高，提示心功能的改善与MSCs的旁分泌效应有关[16]。BMSCs移植后通过血脑屏障，能够分泌神经营养因子发挥营养支持作用，抑制炎症因子表达，抑制胶质细胞再生，诱导巨噬细胞迁移至损伤部位，从而减少瘢痕形成，减少组织再生的抑制因素。而外源性神经营养因子不能通过血脑屏障，因此将BMSCs注射到动物脑缺血部位，能够促进局部组织血管化和神经功能的恢复[17]。MSCs能够通过旁分泌效应修复由缺血/再灌注引起的急性肾损伤，促进残存的肾小管上皮细胞增殖，抑制管状上皮细胞凋亡[18]。这些都说明BMSCs的旁分泌作用在改善组织微环境促进组织恢复的过程中发挥着重要作用。这些细胞因子可在损伤组织中发挥类似但又有组织特异效果的作用，但最终影响均是促进损伤组织的恢复。

3 骨髓间充质干细胞的免疫调节作用

目前，异体移植的最大障碍是强烈的免疫排斥反应，使之未能有效应用于临床。BMSCs是比较原始的细胞，无免疫原性，不仅可逃避免疫系统(自体T细胞及NK细胞)的识别，也可抑制免疫细胞包括T细胞、B细胞和NK细胞的功能，影响抗原呈递细胞的活性。由于其体内植入反应小，可在不需要HLA配型的基础上比较放心的进行异基因细胞移植。这表示BMSCs具有治疗免疫性疾病和移植排斥反应的广阔前景，是诱导免疫耐受的一种很有前景的手段，这一点已得到证实，这也是BMSCs能放心用于修复组织损伤的优势之一。

BMSCs的免疫调节作用，一方面是通过分泌活性物质而发挥作用，另一方面是通过BMSCs与免疫细胞相互接触而发挥作用。主要表现在：①对T细胞的调节：T细胞是特异性免疫的主要执行者，MSCs能够通过多种通路调节T细胞的亚群的分化、增殖和活化。MSCs缺乏共刺激因子，其表达的PD-L1和PD-L2可以和T细胞表达的PD-1分子结合，传递免疫抑制信号，抑制T细胞的增殖和活化[19]。MSCs分泌的可溶性因子(IL-6）、IL-10、PGE2、HGF、IDO等)在免疫调节中发挥重要作用。半乳糖凝集素-1和丝氨酸蛋白酶抑制剂参与了MSCs的免疫抑制作用[20]。很多研究发现，BMSCs可以增加CD4+CD25+的Tregs细胞的数目，而且通过促进CD4+细胞表达CTLA-4，从而诱导免疫耐受，有利于预防移植物抗宿主病的发生，Tregs也可以阻止DC的成熟。②对B细胞的调节：BMSCs分泌的可溶性物质可以影响B细胞的扩增，削弱B细胞产生抗体的信号而阻碍B细胞的分化。BMSCs还可以下调B细胞的相关标记物的配体的表达而影响B细胞的趋化功能。武令启等用羊抗人IgM单克隆抗体在体外刺激与MSCs共培养的外周血B淋巴细胞。结果显示，MSCs及其培养上清明显抑制B淋巴细胞的增殖，并且这种抑制作用与MSCs的数量及其上清的浓度有关。③对NK细胞的调节：NK细胞是天然免疫的重要效应细胞，可以分泌促炎性因子，在抗病毒和肿瘤免疫应答中起着关键作用。BMSCs可以改变NK细胞的表型，进而减低CD56的表达，减少NK细胞TNF-α和IL-10的分泌，还可以通过抑制刺激NK细胞增殖的一些因子（如IL-2、IL-15、IFN-r等）来抑制NK细胞的增殖及其细胞毒性。④对DC细胞的调节：MSCs具有干扰DC分化和成熟的功能。MSCs能下调DC表面CD11c、CD83、MHC-Ⅱ及共刺激分子如CD40、CD54、CD80及CD86等的表达，抑制IL-12的分泌，从而抑制单核细胞来源的髓样DC的成熟、迁移以及激活T细胞的能力。

BMSCs的免疫调节作用是一个复杂的过程，有很多机制没有完全明了，但可以肯定的是骨髓间充质干细胞的免疫抑制作用可以促进组织修复。Wend等人在用MSCs治疗19例难治性cGVHD的患者中发现，联合MSCs治疗的患者可以减少免疫抑制剂的用量，改善患者的生活质量，提高生存率，且在治疗过程中没有出现任何不良事件。动物研究表明，间充质干细胞能通过重建机体免疫耐受和免疫应答平衡，使患有I型糖尿病的动物血糖下降，逆转动物的糖尿病症状，阻止糖尿病的发生和发展。Asku等人发现BMSCs可以治疗皮肤移植小鼠移植物抗宿主病，显著的延长皮肤的存活时间。在半相合异基因小鼠心脏移植模型中，通过输注供体的MSCs可诱导免疫耐受延长移植心脏的存活时间，此过程与MSCs增加了CD4+CD25+Foxp3+的Tregs细胞数目和减弱抗供体Th1的活性有关。

4 存在的问题和展望

BMSCs可以从修复缺损、控制炎症和免疫调节等方面发挥治疗作用，这比药物从单一途径进行治疗具有明显的优势。许多疾病都牵涉到缺血、炎症及免疫损伤等方面，所以BMSCs具有广阔的应用前景。虽然骨髓间充质细胞在组织修复方面的研究应用已经取得了很大的进展，但在进入临床应用前还有很多问题需要解决：①对BMSCs本身特性的研究和在组织工程方面的利用研究，都希望利用纯的干细胞成分，但实验证明体外分离的BMSCS均为各种细胞的混杂。如何才能更有效地获得纯化的BMSCs，有待于对其细胞学特点和分化各阶段细胞特异性标志物的研究。②目前的动物实验研究多是针对单一疾病模型的研究应用，但人体是一个复杂的整体，具有复杂的反馈调控机制，如何控制BMSCS定向迁移入损伤的组织中的增殖和分化，既提高靶向性和高效性，从而达到预期疗效，还需要在动物学实验成熟的基础上进一步行临床实验研究。③骨髓间充质细胞与不同组织细胞间相互作用，以及对其生长、分化产生的影响，目前，其作用的机制尚不清楚。④输入骨髓间充质干细胞后的临床作用时效和远期效果尚未得到有效评估。尽管如此，与其他的种子细胞相比，仍具有不可忽视的优点。例如：取材方便，有强大的增殖分化潜能，无MHC限制，不存在伦理问题等。因此，随着研究方法的改进，随着我们对BMSCS研究的进一步深入，它的优点将被充分挖掘，它将作为一种完美的种子细胞，广泛应用于治疗机体无法自然修复的组织细胞和器官损伤等多种难治性疾病，具有广阔的临床应用前景。

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A

1671-8194（2013）17-0069-03

*通讯作者