间充质干细胞调节炎症反应的研究进展

孔旭辉 综述 黄梁浒 审校

间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSCs）是由Friendenstein等[1]1968年首次在体外从骨髓中分离出来，由Caplan等[2]进行命名，并被应用到越来越多的临床研究中。MSCs不仅从骨髓、脐带和脂肪等组织中提取出来，也存在于牙髓、胸腺和隐静脉等组织中。它具有多向分化的潜能，可分化为中胚层细胞，也可在适当的条件下分化为成骨细胞、成软骨细胞、成脂肪细胞、心肌细胞、肝细胞、内皮细胞（endothelial cells，ECs）、平滑肌细胞和神经元细胞等。虽然MSCs在各个组织中的数量并不多，但是它们发挥着重要作用。不同来源的MSCs已被证实，在免疫调节、促进细胞增殖和组织损伤修复等方面都有显著作用。

在伤口愈合过程中，MSCs通过调控损伤组织的炎症过程来促进组织愈合。Di Trapani等[3]发现，在动物损伤模型中外源性的MSCs通过抑制T细胞、B细胞和NK细胞的数量来抑制炎症反应。并且MSCs释放免疫抑制因子下调免疫应答，MSCs被招募到损伤部位影响伤口愈合。这些特性使它们成为同种移植反应中理想的免疫抑制因子。MSCs不仅分泌生长因子促进伤口愈合，并且在伤口愈合过程中减少纤维疤痕的产生。除此之外，研究还发现，MSCs在移植物抗宿主反应、克罗恩病、成骨不全性疾病和脊髓损伤等都有较好的疗效[4-7]。这些疾病的发生进展过程中，炎症反应都参与其中。那么MSCs在其中起着何种调节作用以及发挥何种临床意义本文将逐一探讨。

一、MSCs调节炎症反应的分子机制

炎症反应是组织器官受损伤后机体所进行的一系列复杂防御机制。组织损伤的传统治疗方案是基于药物抗炎治疗，而MSCs则为炎症的治疗提供了新的思路，大量临床前期研究表明，MSCs的免疫抑制和抗炎作用使其在组织工程医学和再生医学中有很好的发展前景[8]。组织受损伤或病原体侵袭时，损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns，DAMP）和白介素（Interleukin，IL）-1被损伤组织释放，或者病原体相关分子模式（pathogen -associated molecular patterns，PAMP）被感染组织释放而通过巨噬细胞表面的模式识别受体（pattern recognition receptors，PRR）作用于巨噬细胞，使巨噬细胞活化，活化的巨噬细胞能够产生炎症因子，例如IL-1α、IL-1β或者肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor α，TNFα）等去诱发炎症反应的瀑布效应。与此同时，损伤细胞产生前炎症因子或者其他信号去激活MSCs分泌抗炎因子，激活基因蛋白6（gene protein 6）、前列腺素E（prostaglandin E，PGE）等抗炎因子，并且MSCs也可调节损伤组织原本定居的巨噬细胞，或者通过其他途径来减弱促进炎症细胞因子的分泌效应。这些作用的净效应是通过实质细胞分泌IL-6、趋化因子1来抑制促进炎症反应的信号扩大化，并且减弱中性粒细胞募集[9]。

二、MSCs通过与炎症细胞的相互作用来调节炎症反应

机体发生炎症反应时，参与炎症反应的细胞包括组织固有细胞、巨噬细胞、肥大细胞和ECs等。MSCs与免疫细胞的相互作用对炎症反应产生较大影响。

（一）MSCs通过与ECs相互作用调节炎症反应

ECs可以通过细胞因子或其他免疫应答产物的作用而活化，进而增加对单核细胞、中性粒细胞和其他循环系统细胞的黏附作用来参与炎症反应过程。并且活化的ECs可表达主要组织相容性复合物Ⅱ（major histocompatibility complexⅡ，MHCⅡ）类分子，表现出抗原提呈功能；也可分泌IL-1和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子来调节免疫应答[10]。而MSCs对于炎症的影响可以通过调节ECs的功能来实现。应用TNFα、IL-1或者γ干扰素（Interferon γ，IFNγ）处理ECs（给ECs营造炎性环境），继而MSCs与ECs共培养，发现MSCs降低中性粒细胞和淋巴细胞对于ECs的黏附性，并且影响中性粒细胞和淋巴细胞的迁移能力。Munir等[10]进一步发现，MSCs对于炎性细胞的作用是通过其高分泌IL-6实现的；当MSCs的IL-6基因敲除后，共培养的ECs其抗炎作用也就消失，进一步说明IL-6在该通路中起着关键性作用。为了模拟人体中的状态，Munir等[10]将MSCs与ECs共培养后，观察ECs对于流动介质中中性粒细胞的招募能力，发现MSC处理过的ECs减弱了对中性粒细胞的招募能力。实验结果表明，MSCs下调ECs对于炎症因子的应答能力。

Luu等[11]研究也发现，MSCs黏附于管腔内外侧面的ECs上，并且这种黏附能力使MSCs与ECs之间相互作用，从而对疾病进行干预治疗。MSCs对于ECs细胞的抗炎作用与MSCs数量有一定的相关性。Luu等[11]发现MSCs抑制淋巴细胞对于ECs的能力并不受限于淋巴细胞的类型。在两种细胞共培养的过程中，MSCs高分泌白介素6受体（Sil-6R）和转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF β），这两种因子促使ECs呈现抗炎效果。而ECs的细胞表面黏附分子1和血管细胞黏附分子1的低表达抑制了中性粒细胞和淋巴细胞的黏附与迁移。

（二）MSCs通过与单核细胞（巨噬细胞）相互作用调节炎症反应

当单核细胞穿过ECs层后进入组织中即转化为巨噬细胞。在起始的免疫应答反应中，巨噬细胞引发炎症反应并控制炎症反应。巨噬细胞到达组织后根据炎症环境决定向M1型或M2型巨噬细胞分化。M1型巨噬细胞分泌促进炎症反应的细胞因子例如IL-1、IL-6、TNFα和IFNγ等。M2高水平分泌IL-10、TGFβ1等抑制炎症反应的因子和低水平分泌促进炎症反应的因子，并且这两个过程相互影响相互作用共同促进组织的炎症修复[12]。

MSCs通过持续分泌IL-6，促使单核细胞向M2型巨噬细胞分化[13]；这种分化可能是通过与MSCs之间的接触和（或）通过MSCs分泌吲哚胺2,3-双加氧酶（indolamine 2,3-dioxygenase，IDO）、PGE2所启动。当MSCs分泌IL-6的量不足时，MSCs通过分泌IFNγ和TNFα，诱导巨噬细胞表面表达CD40L来促使巨噬细胞向M1型分化。M1型巨噬细胞高分泌IFNγ和TNFα，在细胞表面表达共刺激分子，后者能够促进T细胞增殖。活化的T细胞和M1型巨噬细胞又高水平分泌促炎信号，反过来促使MSCs调节巨噬细胞向抗炎的M2型分化来抑制炎症反应过程。这两种相反的通路调节促进损伤部位对于应激的应答，它们一起构成了一个环路，相互影响相互制约相互作用来保护组织避免过强的应答反应，从而促进组织修复[14]。Mantovani等[15]和François等[16]发现，TNFα、IFNγ、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）通过增加BM-MSCs的环氧酶2和IDO表达，促进巨噬细向抑制炎症反应的M2型分化，从而增强了机体的自稳定状态。另外，MSCs除了作用于巨噬细胞调节炎症反应，还可加强中性粒细胞将淋巴细胞招募至炎症损伤部位的能力[17]，从而调节炎症反应的过程。

（三）MSCs通过与T细胞的相互作用调节炎症反应

MSCs通过调节促进炎症的T细胞与抗炎的Tregs细胞之间的平衡来调节炎症反应。一些研究已经证明T细胞被MSCs影响而向Tregs转化，这是MSCs调节炎症反应的一个重要机制[18]。MSCs通过自身与T细胞的直接接触和非直接接触作用去影响Tregs的产生，其中非直接接触作用主要通过MSCs分泌TGFβ所介导；其他能够调节T细胞的因子，例如PGE2和可溶性可溶性白细胞抗原G（sHLA-G）等也参与到Tregs的产生中[14]。MSCs持续分泌的TGFβ直接诱导产生单核细胞依赖的Tregs细胞。通过调节免疫系统中细胞因子的分泌，诱导Tregs的产生，从而获得了抗炎效果。细胞实验中MSCs通过细胞之间的直接接触或者通过分泌细胞因子（包括TGFβ、HGF、PGE2、IDO、NO等）去抑制T细胞的增殖；在TNFα和IFNγ的作用下，通过强化MSCs的刺激作用而影响T细胞，但并不能增强MSCs对于这些调节因子的表达量[19]。并有研究者发现MSCs对于DC和T细胞抑制作用可通过PGE2实现[20]。

MSCs通过影响T细胞的增殖和T细胞因子的分泌来调节炎症反应。MSCs对CD8+T细胞的抑制作用强弱与共培养时两种细胞的比率有关。主要组织相容性复合体I类相关分子A/B（MHC class I chain-relatedA/B molecule，MIC A/B）一般在肿瘤细胞和CD4+T细胞表面表达，通过影响CD8+T细胞表面的NKGD表达来影响CD8+T细胞的增殖。Li等[21]发现在MSCs表面表达MIC A/B从而抑制CD8+T细胞的增殖。MSCs抑制CD8+T细胞炎症因子IL-2、粒酶B（granzyme B）、IFN-γ的表达从而来调节炎症反应。

三、MSCs自身对于炎症反应的应答

MSCs参与炎症反应过程中，肿瘤坏死因子激活基因6（tumor necrosis factor-stimulated gene-6，TSG-6）基因的表达倍受关注。TSG-6基因是一个保护性炎症反应基因，是在筛选TNFα干预的人纤维细胞cDNA文库时发现的一个新基因，在多种炎症性疾病或类似炎症的过程中高度表达，受TNFα调节，参与炎性反应。损伤组织激活MSCs的TSG-6基因，并且通过分泌TSG-6蛋白去修复组织损伤[22]。

为了探索MSCs在炎症过程中究竟承担何种角色，Danchuk等[23]实验发现，LPS诱导造成的小鼠急性肺损伤模型注射MSCs后，明显减轻了小鼠的急性肺损伤炎症反应，但进一步研究发现MSCs对炎症的影响作用，其机制不是通过MSCs迁移定植到损伤部位并分化所引起的，因为只有极少数的MSCs定植于肺组织内。MSCs可能在很大程度上是通过旁分泌，或者细胞之间的直接接触对炎症反应进行多样化调控。作者通过基因芯片检测技术还发现，MSCs注射到LPS诱导的急性肺损伤小鼠后，TSG-6表达量明显增高；并且抑制TSG-6基因表达后，MSCs的抗炎作用被大大弱化，再次给予人工合成的TSG-6蛋白可恢复MSCs的抗炎水平。这些结果表明，TSG-6基因在MSCs的抗炎水平上起关键作用。另外的研究也报道MSCs在下列疾病中，通过TSG-6发挥显著的抗炎作用，包括急性肺损伤[24]、实验性急性心肌梗死[25]、急性腹膜炎和腹膜损伤[26]、脑损伤[27]等。

研究证实，激活不同的TLR受体能够使MSCs分别向促炎或抗炎方向分化，并且将这些不同功能的MSCs分别称为MSC1和MSC2[28]。应用poly（Ⅰ： C）激活TLR3受体能够诱导出MSC2并促使其分泌一系列的免疫抑制物质，进一步促进CCL10（IP10）、CCL5（RANTES）和IL-10的分泌；当LPS诱导激活TLR4时分化的MSC1能够表现出促炎的特性，并呈现出上述因子相反的分泌情况，同时IDO、PGE2这些抑制炎症因子的表达量都是明显低于MSC2。应用诱导产生的MSC1和MSC2细胞分别对肺部炎症损伤小鼠进行治疗，MSC1组小鼠炎症损伤加重，MSC2组小鼠出现相反的结果，其炎症得到了改善[29]。LPS通过活化TLR4促使MSC1生成，减少了免疫抑制因子NO生成，促进了炎症的发生进展[13]。

探索MSCs在炎症反应中所承担角色的过程中，研究人员进行了多方位的实验。Prockop等[30]提出，MSCs能通过两条通路对炎症早期进行调节。促炎因子作用于MSCs，使后者上调表达环氧酶2，PGE2的分泌量增加PGE2作用于巨噬细胞，使其从M1型向能够分泌抗炎分子的M2型巨噬细胞分化。另外的分子机制是：组织损伤时释放热休克蛋白B4，激活MSCs分泌TSG-6，TSG-6与巨噬细胞表面的CD44分子结合，从而减少TLR2-NF-κB的信号传导，减弱TNFα等的释放，进而减轻了炎症反应。MSCs在最初的免疫应答中，它们兼有促炎和抗炎的双重特性。在缺乏炎症因子的环境中（如低水平的TNFα和IFNγ，MSCs转化为促炎的MSC1，并且具有通过分泌炎症因子加强了T细胞将淋巴细胞招募到炎症部位的特性[31-32]。

MSCs表达一系列的TLRs，并且在体外刺激TLRs影响MSCs的免疫应答反应[33]。低氧环境中，或者将MSCs置于促炎因子环境中，TLRs的表达增高，增加了MSCs对于炎症环境的敏感性[34]。并且延长刺激TLRs的时间，可使TLR2和TLR4的表达下调[28]。这些现象说明MSCs本身可能存在自我调节机制，在免疫应答过程中防止过度应答。

综上所述，MSCs参与炎症调节是一个复杂过程，不仅依赖于本身对于炎症环境的应答作用，还取决于与炎症细胞，例如单核细胞、中性粒细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞的相互作用，并且多条通路共同参与调节，促炎与抗炎过程又相互影响相互制约来促进组织损伤的修复。由于成体干细胞治疗的较少并发症与毒副作用，存在较少的伦理学障碍，MSCs研究日益受到广泛关注，在细胞治疗、组织工程等领域具有极为重要的地位和应用价值，显示出越来越广阔的应用前景。

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