(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，四川瀘州 646000)

氧化應(yīng)激是許多疾病發(fā)生、發(fā)展的共同病理機制，如惡性腫瘤、冠心病、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、椎間盤退行性并病變等［1～4］。隨著對干細胞研究的深入，干細胞移植為上述疾病的治療提供了新的方向?；钚匝?Reactive Oxygen Species，ROS)為引起氧化應(yīng)激的生物活性物質(zhì)，在干細胞替代治療中與干細胞有著密切聯(lián)系。移植于體內(nèi)的干細胞與機體受損細胞處于相似的微環(huán)境，常面臨著宿主機體或者其自身產(chǎn)生的活性氧的作用?，F(xiàn)將活性氧對干細胞生物學(xué)特性的影響綜述如下。

1 概述

1.1 活性氧及其作用 活性氧是需氧細胞在代謝過程中產(chǎn)生的一類由氧形成的化學(xué)性質(zhì)較基態(tài)氧活潑的含氧代謝物質(zhì);線粒體是產(chǎn)生活性氧的主要部位。生理情況下，細胞呼吸鏈的傳遞過程中有1%～2%的單電子沒有通過細胞色素氧化酶復(fù)合體傳遞給O2，而是從呼吸鏈中漏出，生成包括超氧陰離子自由基(O·)，過氧化氫(H2O2)和羥自由基羥自由基(OH)等的活性氧。除此之外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和NADPH氧化酶等各種氧化酶類也能產(chǎn)生部分活性氧。生理條件下產(chǎn)生的活性氧能參與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，發(fā)揮重要的生理功能;而機體在各種有害刺激下線粒體呼吸鏈功能受損時產(chǎn)生的活性氧能引起細胞氧化損傷，即氧化應(yīng)激。

1.2 干細胞及其生物學(xué)特性 干細胞是指存在于胚胎直至成體的，具有增殖、自我更新及多向分化潛能的原始細胞，增殖、自我更新和分化潛能為其三大生物學(xué)特征。干細胞區(qū)別于普通細胞的自我更新和多向分化潛能被稱為干細胞的“干性”。干細胞根據(jù)分化潛能的不同可分為全能干細胞、多能干細胞和單能干細胞;根據(jù)其來源不同，分為胚胎干細胞和成體干細胞，后者又稱為組織干細胞。由于受來源和倫理學(xué)的限制，關(guān)于胚胎干細胞的研究多限于實驗，而組織干細胞則是臨床上較理想的種子細胞。在生理情況下，組織干細胞通常處于靜息狀態(tài)或慢周期狀態(tài)，即處于細胞周期的G0/G1期［5］;在發(fā)育，損傷等刺激下，部分干細胞能從靜息狀態(tài)重返細胞周期，通過對稱分裂和非對稱分裂的方式實現(xiàn)增殖、自我更新和分化。

2 活性氧對干細胞生物學(xué)特性的影響

2.1 活性氧與干細胞的干性 干細胞的靜息狀態(tài)和自我更新能力是維持其“干性”的重要保證。靜息狀態(tài)存在的干細胞能在很大程度上保留其原始的特性，而自我更新對維持干細胞群有重要意義?；钚匝跄芡ㄟ^多種途徑影響干細胞的靜息狀態(tài)和自我更新，這種作用在造血干細胞(HSCs)的研究較為深入。在機體內(nèi)，由毛細血管擴張性共濟失調(diào)癥突變基因(ataxia-telangiectasia mutated，ATM)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K-AKT)或Mdm2-p53路徑被破壞而產(chǎn)生的異常的活性氧常會導(dǎo)致HSCs功能的損害［6］。Foxo3a是PTEN/PI3K/AKT通路下游的轉(zhuǎn)錄因子，Miyamoto 等［7］發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxo3a(-/-)模型小鼠造血祖細胞的增殖和分化功能正常，然而在其骨髓細胞和基質(zhì)細胞的長期共培養(yǎng)中，集落形成細胞數(shù)目減少，F(xiàn)oxo3a(-/-)HSCs移植后其重建造血的功能受損;進一步的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxo3a(-/-)HSCs表現(xiàn)出p38MAPK磷酸化增加，活性氧水平增高及靜息狀態(tài)的維持缺陷。Ito等［8］則發(fā)現(xiàn)，ATM(-/-)模型小鼠活性氧水平增高能誘導(dǎo)HSCs特異性的p38MAPK磷酸化，并伴有HSCs靜息狀態(tài)維持的缺陷;抑制p38MAPK能彌補這種缺陷，失活p38MAPK通路則能保護HSCs的自我更新能力。由此可見，異常增高的活性氧通過p38MAPK途徑損害HSCs的靜息狀態(tài)和自我更新能力。ROS-p38MAPK途徑對自我更新的這一作用在脂肪源性干細胞也得以證實［9］。此外，P53是一種腫瘤抑制基因，其蛋白產(chǎn)物P53腫瘤抑制蛋白作為一種轉(zhuǎn)錄因子，在DNA損傷的情況下能誘導(dǎo)細胞周期停止及細胞分化、衰老和凋亡，并且與HSCs的靜息狀態(tài)和自我更新能力有關(guān)［10］?；钚匝踹€能通過激活P53，損害HSCs靜息狀態(tài)的維持和自我更新能力［11］。

除了參與干細胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)外，活性氧還能通過抑制干細胞對微環(huán)境的黏附，從而改變干細胞的靜息狀態(tài)。干細胞生存在一個稱為壁龕(Nich)的微環(huán)境中，這種微環(huán)境是干細胞維持其靜息狀態(tài)的必要條件。Hosokawa等［12］證實，5-Fu誘導(dǎo) HSCs的活性氧增高能抑制N-鈣黏蛋白表達。N-鈣黏蛋白是一種黏附分子，能介導(dǎo)HSCs與壁龕的黏附?；钚匝跄芤种芅-鈣黏蛋白介導(dǎo)的細胞黏附，使HSCs脫離與其靜息狀態(tài)相適應(yīng)的微環(huán)境，不利于靜息狀態(tài)的維持。

2.2 活性氧與干細胞增殖 活性氧能通過參與細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)促進細胞的增殖已經(jīng)被證實。一方面活性氧能激活蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，又稱AKT)，促進細胞增殖;另一方面可激活MAP激酶家族，促進細胞的有絲分裂;還能激活轉(zhuǎn)錄因子NF-kB，從基因水平調(diào)控細胞增殖。研究表明，適量的活性氧也能促進干細胞增殖。

在脂肪源性干細胞，低氧誘導(dǎo)NADPH氧化酶產(chǎn)生增多的活性氧，后者誘導(dǎo)血小板源性生長因子受體-B的磷酸化，激活細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)和 AKT 信號通路，促進脂肪源性干細胞的增殖和遷移［13］。ERK激酶是MAP激酶家族中的一員，能接受來自生長因子、絲裂原等的信號而激活，并經(jīng)過一系列級聯(lián)反應(yīng)激活與細胞增殖相關(guān)的核轉(zhuǎn)錄因子;在某些細胞類型中，還通過影響細胞周期調(diào)控增殖。Huang xin等［14］研究證實ERK1/2在小鼠神經(jīng)干細胞增殖中具有重要作用，阻斷ERK1/2信號通路后可抑制神經(jīng)干細胞增殖。AKT信號通路的活化可通過磷酸化周期素依賴性激酶(cyclin dependent kinase，CDK)抑制劑P21C IP1和P27KIP1、磷酸化負性調(diào)節(jié)forkhead家族的轉(zhuǎn)錄因子AFX從而降低P27KIP1基因的轉(zhuǎn)錄、增加Cyclin D1轉(zhuǎn)錄及磷酸化GSK3使其失活，加速細胞周期進程［15］。除了脂肪源性干細胞外，抑制神經(jīng)干細胞內(nèi)生性的活性氧，亦能負性調(diào)控PI3K/AKT信號通路，減弱神經(jīng)干細胞增殖［16］。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)細胞核受體過氧化體增殖活化受體-δ被激活后產(chǎn)生的活性氧能激活P38MAPK和Wnt/B-catenin途徑，增加細胞周期蛋白E/cdk2、cyclind1/cdk4表達，促進胚胎干細胞增殖［17］。

2.3 活性氧與干細胞分化 干細胞能向目的細胞分化是其臨床應(yīng)用的理論基礎(chǔ)之一?；钚匝跬ㄟ^參與干細胞及其相關(guān)祖細胞分化的調(diào)控而影響干細胞移植治療的臨床療效。

哺乳動物的HSCs含有低水平的活性氧，與之相比，髓系祖細胞產(chǎn)生的活性氧明顯較多。果蠅的多能造血祖細胞在很大程度上類似哺乳動物的髓系祖細胞。研究表明，清除果蠅多能造血祖細胞內(nèi)的活性氧會阻礙血細胞的成熟，增加活性氧的水平則會激活JNK和FOXO，下調(diào)多梳基因(Polycomb of gene)的表達，促進造血祖細胞向三種血細胞分化［18］。JNK即c-Jun氨基末端激酶，在鼠類又稱為應(yīng)激激活蛋白激酶，其也是MAP激酶家族中的成員之一。在應(yīng)激、分化因子等刺激下，經(jīng)過一系列級聯(lián)反應(yīng)，JUK能被激活，參與細胞生長、分化和凋亡的調(diào)控。Maike Schmelter等［19］發(fā)現(xiàn)在機械力的作用下，胚胎干細胞的NADPH氧化酶產(chǎn)生活性氧，后者激活MAPK，MAPK通過激活ERK1、2/JNK路徑，促進胚胎干細胞向血管細胞分化;通過激活ERK1、2/JNK/p38路徑促進胚胎干細胞向心肌細胞分化。除此之外，體外動物實驗證實活性氧還能作為第二信使，參與神經(jīng)干細胞向少突膠質(zhì)細胞的分化和成熟［20］。由此可見，活性氧對干細胞分化的作用可表現(xiàn)為兩個方面:通過不同的途徑促進干細胞向某種或多種祖細胞分化;促進某種祖細胞的分化成熟。

綜上所述，活性氧對干細胞的生物學(xué)特性有著廣泛的影響:異常增高的活性氧不利于干細胞靜息狀態(tài)的維持和自我更新;適量的增加活性氧則有利于部分類型干細胞的增殖和分化。這種影響大多是活性氧通過參與干細胞不同的信號通路來實現(xiàn)的。不同類型干細胞的同一種生物學(xué)特性可能由活性氧參與的相似的信號通路來調(diào)控，活性氧參與的信號通路在調(diào)節(jié)干細胞不同的生物學(xué)特性時也出現(xiàn)部分重疊，例如HSCs和脂肪源性干細胞的自我更新均受ROS-MAPK通路的調(diào)控作用;ROS-MAP激酶通路不僅影響干細胞的自我更新，還能影響其靜息狀態(tài)和增殖分化。另外，活性氧的濃度也是重要的影響因素之一。干細胞內(nèi)活性氧濃度較低，是維持其靜息狀態(tài)的重要保證，適當增高活性氧的濃度則可促進干細胞的增殖與分化成熟，更大濃度的活性氧則能損傷細胞的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸，導(dǎo)致細胞凋亡。充分認識活性氧對干細胞生物學(xué)特性的影響有助于對干細胞進行更好的調(diào)控，提高臨床干細胞替代治療的療效。

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