间充质干细胞移植治疗作用机制

王佃亮，李燕妮

自从2009年12月世界上第一个干细胞新药美国Osiris公司生产的Prochymal®上市[1]，迄今国外已有多种间充质干细胞新药被批准临床应用，包括自体或异体来源的骨髓间充质干细胞、脐带间充质干细胞、脂肪间充质干细胞等(表1)。2018年以来，国内也有多种间充质干细胞新药被国家药品监督管理局批准进行临床试验研究，包括北京三有利和泽生物科技有限公司与首都医科大学申报的人牙髓间充质干细胞注射液、天津昂赛细胞基因工程有限公司研发的人脐带间充质干细胞注射液、青岛奥克生物开发有限公司研发的人脐带间充质干细胞注射液、北京汉氏联合生物技术股份有限公司研发的人胎盘间充质干细胞凝胶、无锡赛比曼生物科技有限公司等申报的CBM-ALAM.1异体人源脂肪间充质祖细胞注射液、天津麦迪森再生医学有限公司申报的人原始间充质干细胞制剂、上海爱萨尔生物科技有限公司申报的脐带间充质干细胞注射液等。随着时间延长，会有越来越多的重大疑难杂症探索用间充质干细胞进行移植治疗，也会有越来越多的间充质干细胞新药被批准临床应用。弄清间充质干细胞移植治疗的作用机制，对其临床研究应用具有重要意义。作者对间充质干细胞通过直接和间接两种方式发挥治疗作用机制进行论述。

表1 国外批准临床应用的间充质干细胞药物

注：来源于各国卫生或药品主管部门官方网站

1 间充质干细胞移植治疗直接方式作用机制

人体组织器官功能障碍或结构损伤会导致疾病发生。功能障碍，即生理功能失调或紊乱，不能发挥正常生理功能，但是，并不涉及组织器官的实质性损伤。人体内分泌系统、免疫系统发生功能紊乱时，会导致各种疾病发生。当免疫系统功能增强，可能会发生过敏反应；而功能降低，可能会导致病原体入侵、肿瘤细胞逃离免疫监视等。内分泌系统也是这样，譬如：甲状腺功能亢进，会发生甲亢；功能不足，会发生甲减。人体组织器官功能障碍，如果长期得不到修复，就会诱发形成重大疾病。结构损伤，即结构遭到破坏。由内部病理因素或外部物理、化学、生物等因素造成的组织器官结构损伤，进而导致功能障碍。组织器官功能障碍或结构损伤导致的疾病，可通过干细胞移植进行治疗。移植的干细胞可修复功能障碍的组织器官或再生损伤的组织器官；同时，修复或再生的程度，也决定着临床治疗效果。

1.1 归巢 “归巢”现象，最初在淋巴细胞中发现，后借用于干细胞。人体中的干细胞有个壁龛，或称干细胞龛、干细胞生态位、干细胞巢，由与干细胞相邻的各种细胞、细胞外基质和多种细胞因子组成，这种微环境对干细胞有保护作用[2-3]。

移植到体内的干细胞，需要迁移到发挥作用的场所——靶组织器官。造血干细胞归巢到造血组织，才能通过增殖分化，产生红细胞、白细胞、血小板等血细胞。间充质干细胞归巢到损伤的组织器官，在该组织器官特定微环境诱导下，通过增殖分化，发育为损伤的组织细胞，进而对损伤的组织器官进行修复。

干细胞归巢的原理是组织器官损伤后，会释放多种生物活性因子，引导移植到患者体内的外源间充质干细胞向损伤部位迁移[4-5]。在这个过程中，受损组织器官产生的生物活性因子——配体，可与间充质干细胞表面的受体结合，从而启动间充质干细胞从血管进入组织，并向损伤的组织器官迁移和植入。

在一些全身性损伤(如放射伤、系统性红斑狼疮和创伤性多器官功能不全)和局部创伤(如颅脑损伤、脊柱损伤和皮肤损伤)等涉及组织细胞变性、坏死、缺失的疾病治疗中发现，无论是通过浅表静脉输入、血管介入、腔隙注射还是定位移植的脐带间充质干细胞，均可见到有部分细胞迁移、归巢至损伤组织中。定植于损伤组织中的脐带间充质干细胞，可在组织微环境诱导下分化为相应组织类型的功能细胞，并整合到组织中。然而，在没有组织损伤的健康对照动物体内，几乎未见有干细胞分布，说明植入损伤组织的脐带间充质干细胞参与了损伤组织的结构重建。

由于存在归巢效率问题，若想在短期内达到较好的组织器官修复再生效果，必须植入一定数量的干细胞。由于细胞在机体内会有一定数量的凋亡和死亡，植入干细胞过少可能达不到预期治疗效果。

1.2 促进外源干细胞植入患处 化学药物注射到人体，发挥药理作用后，被代谢排出体外。干细胞治疗则不同，注射到体内的活细胞，迁移归巢到患处后，在患处增殖分化、修复或再生患病的组织器官，最后成为机体组成部分，这个过程就叫植入。所以干细胞治疗通常称为干细胞移植或干细胞移植治疗。

移植到体内的间充质干细胞，通过分泌一些细胞因子，促进外源干细胞在体内植入。当然，由于移植方法、途径不同，移植的干细胞到达患处的数量也不同。有可能在非靶部位植入，导致安全隐患。

1.3 定向分化与多向分化 间充质干细胞直接移植或归巢到患病组织器官后，在该组织器官特定微环境诱导下，通过分裂增殖，分化发育为与患病组织器官细胞种类相同的细胞。在这个过程中，干细胞通过某一微环境诱导，基因组发生重编程，发育形成某一组织类型细胞，进行定向分化；或者通过不同微环境诱导，分别发育形成不同组织类型细胞，进行多向分化。定向分化和多向分化是衡量干细胞移植是否成功的关键，只有成功地进行定向分化和多向分化，才有可能治愈疾病。需要定期进行移植，才能维持一定治疗效果。

定向分化是从纵向角度看，一种间充质干细胞能够分化为一种组织类型的细胞。多向分化是从横向角度看，一种间充质干细胞能诱导分化为多种组织类型的细胞。

2 间充质干细胞移植治疗间接方式作用机制

间充质干细胞通过自分泌、旁分泌和远程分泌可产生种类繁多的细胞因子[5-7]。根据主要功能，细胞因子可分为：①生长因子类：干细胞生长因子、成纤维细胞生长因子、肝细胞生长因子、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等；②集落刺激因子类：粒-巨噬细胞集落刺激因子、粒细胞集落刺激因子、巨噬细胞集落刺激因子等；③趋化因子类：中性粒细胞趋化因子1、单核细胞趋化蛋白1等；④白细胞介素(interleukin，IL)类：IL-6、IL-8等；⑤干扰素(interferon，INF)类：INF-γ、INF-α、INF-β等；⑥神经营养因子类：神经营养因子、胶质源性神经营养因子等；⑦转化生长因子(transforming growth factor，TGF)类：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3、TGFβ1β2、骨形成蛋白等；⑧肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)类：TNF-α、TNF-β等；⑨酶类：组织基质金属蛋白酶抑制剂1、纤溶酶、超氧化物歧化酶等。细胞因子的特点是含量甚微，但作用巨大。

2.1 双向调节免疫反应和炎症反应 间充质干细胞具有强大的调节炎症反应和免疫反应功能[8-9]。在体外培养体系中，间充质干细胞与外周血单个核细胞接触或非接触培养，均能明显抑制刺激后的T、B淋巴细胞增殖和IFN-γ、IL-2等细胞因子释放；还发现前列素E2是间充质干细胞发挥免疫调节作用的重要介导因子；IFN-γ、IL-1等能显著上调间充质干细胞分泌前列素E2；间充质干细胞还能抑制具有抗原提呈功能的树突状细胞成熟和自然杀伤细胞活性。

在抗炎症反应方面，给创伤性、感染性、中毒性、急慢性炎症反应的患者输入间充质干细胞，可发生炎症反应症状减轻或消失、组织内炎性细胞减少、移植组织细胞凋亡等现象。

由于免疫原性低，间充质干细胞对固有免疫和适应性免疫的多种效应细胞都具有显著的免疫调节作用。这种免疫调节作用并不是天然固有的,在很大程度上取决于所处微环境中炎症介质的种类、浓度等因素。

间充质干细胞通常表现出来的免疫抑制作用，需要炎症微环境中大量促炎因子的诱导，当不同种类、浓度的炎症介质诱导间充质干细胞时，会表现出截然相反的免疫调节作用,既可以促进也可以抑制免疫应答反应，表现出免疫调节的可塑性或双向调节。间充质干细胞就像免疫环境的一个调和剂：当炎症反应加强时，它会抑制免疫反应；当炎症反应减弱时，它又会促进免疫反应。

间充质干细胞调节免疫反应和炎症反应的作用机制非常复杂，迄今仍没有完全搞清楚，可能的作用机制包括细胞与细胞之间的直接接触、通过旁分泌功能和分泌微囊泡等对免疫细胞进行调节,激活细胞内多条信号通路。这些因素可能协同作用，形成一个综合调控网络，对免疫系统进行精细调节。

通过对免疫反应、炎症反应的调节作用，间充质干细胞可以治疗一些自身免疫性疾病和各种炎症性疾病[10-13]，譬如器官移植后的免疫排斥反应、造血干细胞移植后的移植物抗宿主病、系统性红斑狼疮、糖尿病、关节炎、类风湿性关节炎、创伤性系统性炎症反应、感染性脓毒血症、急性过敏、特发性紫癜等，都具有较好的治疗效果。

2.2 抗氧化应激、抗纤维化、抗凋亡 多种内外在因素通过氧化应激、DNA损伤、端粒及端粒酶调控系统、衰老相关ARF/p53及p16INK4a/RB信号通路激活等途径调控了间充质干细胞衰老，导致一些衰老性疾病发生。通过植入患者体内活力正常的间充质干细胞，可以重建或恢复患病组织器官里衰老的间充质干细胞，进行疾病治疗。

这些外源性间充质干细胞可通过分泌超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等抗氧化剂及其他途径，缓解了因氧化应激造成的各种损伤[14]。在给亚健康人群输入间充质干细胞后，发现精神状态变好、睡眠改善、食欲增加、体能增强等现象，其机制除了间充质干细胞分泌的各种细胞因子发挥作用外，还可能与提升抗氧化应激能力和调控某些基因表达有关。

器官纤维化是一种严重疾病。发生纤维化后，实质细胞减少，纤维结缔组织增多，导致器官结构损伤、功能减退甚至衰竭。间充质干细胞可分泌多种细胞因子，通过调节免疫反应和炎症反应，减少促纤维化因子和胶原蛋白沉积，具有抗纤维化作用，用于治疗肺、肝、肾等器官纤维化[9]。骨髓、脂肪、脐带、牙髓等来源的间充质干细胞，都可用于移植治疗器官纤维化。

间充质干细胞移植后，面临一个缺乏氧气和营养的环境，大部分细胞会在24 h内发生死亡和凋亡。但是，生活状态的间充质干细胞能够分泌一些细胞因子，譬如VEGF、胰岛素样生长因子1、肝细胞生长因子等，阻止受损组织器官的细胞发生凋亡，促进组织器官修复再生[8-9]。

2.3 造血支持作用及参与或促进血管再生 间充质干细胞移植后，可通过分泌多种细胞因子(粒-巨噬细胞集落刺激因子、粒细胞集落刺激因子、基质细胞衍生因子、VEGF等)，促进造血干细胞增殖分化，从而增强造血功能，具有造血支持作用[15]。

移植的间充质干细胞，还可以直接参与或间接促进损伤的组织器官血管再生[16-17]。间充质干细胞是一群异质性细胞，其中表达某些抗原标志的亚群细胞可分化为内皮细胞，这些细胞进入组织器官损伤部位后具有血管再生作用。间充质干细胞本身能够分泌VEGF，可有效地促进血管再生，改善血液循环。

2.4 激活内源干细胞增殖分化及患病组织器官已分化的正常细胞去分化 通常情况下，内源干细胞在干细胞巢中处于相对平衡状态。在外源间充质干细胞释放的生长因子(如干细胞生长因子、成纤维细胞生长因子等)作用下，打破动态平衡，开始增殖分化，参与损伤组织器官的修复再生[6]。与此同时，激活患病组织器官已分化的正常细胞去分化，启动基因组重编程，开始增殖分化，形成大量新细胞，修复再生患病的组织器官。

2.5 其他 间充质干细胞的移植治疗作用机制，还包括抗衰老、抗瘢痕等[18-19]。当然，可能存在仍未发现的移植作用机制。人体内成体干细胞数量减少、功能退化，会导致衰老。通过增加体内间充质干细胞数量、提高间充质干细胞质量，会有效地延缓人体衰老进程。当然，其他类型的干细胞，譬如造血干细胞、胚胎干细胞等，也具有抗衰老作用。间充质干细胞通过抗瘢痕作用，使愈合后的伤口表面相对平滑，所以间充质干细胞可被用于整形美容。

3 展望

间充质干细胞是最早发现、也是最早批准临床应用的干细胞类型，在临床上应用范围很广[20-26]。包括血液系统疾病、神经系统疾病、消化系统疾病、心血管系统疾病、呼吸系统疾病、骨骼系统疾病、内分泌系统疾病、免疫系统疾病、泌尿生殖系统疾病，以及抗衰老、增强免疫力、整形美容等，并可应用于角膜损伤、视网膜损伤、皮肤损伤、烧伤等领域(表2)。目前国外有多个产品被批准临床应用。间充质干细胞移植治疗的疾病谱比造血干细胞更加广泛，可能与其多种多样的治疗作用机制有关。

表2 间充质干细胞移植治疗的疾病

间充质干细胞移植的治疗作用，是多种机制综合作用的结果。通过多种作用机制协调，从结构和功能上修复或再生患病的组织器官，使其发挥正常生理功能，达到治疗目的。同时，由于间充质干细胞能够促进造血干细胞增殖分化，造血干细胞联合间充质干细胞移植，具有更好的临床治疗效果。当然，不同疾病、不同间充质干细胞，治疗机制会有差异。迄今，关于间充质干细胞的治疗机制，并没有完全弄清，仍需要深入研究。