干細(xì)胞修復(fù)腎臟的旁分泌/內(nèi)分泌機制*

謝曉強 呂碧鋒 章振保 孔德領(lǐng) 李宗金 徐 勇

干細(xì)胞在腎損傷之后的修復(fù)中發(fā)揮著重要作用[1]。腎臟損傷的動物模型表明，壞死細(xì)胞的更替依賴于殘存的已分化細(xì)胞再次進入細(xì)胞周期[2-3]，或依賴于骨髓來源的[4-5]或腎臟器官特異性干/祖細(xì)胞[6-7]的修復(fù)作用。只有很少的骨髓細(xì)胞歸巢到腎臟并替換受損的上皮細(xì)胞，因此，旁分泌或內(nèi)分泌可能對腎臟修復(fù)有更大的幫助[8-9]。本文主要對干細(xì)胞修復(fù)腎臟的旁分泌/內(nèi)分泌機制綜述如下。

1 干細(xì)胞與腎臟修復(fù)

骨髓來源的干細(xì)胞可以修復(fù)多種組織器官。Poulsom等[4]通過小鼠的全骨髓移植模型，證實了骨髓來源的干細(xì)胞可以在腎小管上皮再生中發(fā)揮作用。Fang等[5]研究顯示，造血干細(xì)胞（HSCs）而不是間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）參與了急性腎損傷（AKI）的修復(fù)。目前，骨髓來源的干細(xì)胞具有在損傷后分化為腎小管上皮細(xì)胞的能力已成為業(yè)界共識。研究表明，腎小管固有的細(xì)胞，如殘存的已分化細(xì)胞，在損傷后替換腎小管細(xì)胞的過程中發(fā)揮主要作用[3]。

體外擴增的干細(xì)胞注入體內(nèi)后，在順鉑、甘油和缺血再灌注誘發(fā)的急性腎小管損傷中，間充質(zhì)干細(xì)胞可以保護腎臟并促進其修復(fù)[10]。最近的研究顯示，間充質(zhì)干細(xì)胞還可以改善慢性腎衰竭患者的腎功能[11]。最初人們認(rèn)為，間充質(zhì)干細(xì)胞可能移入腎臟并替換了受損的上皮細(xì)胞[12]。把間充質(zhì)干細(xì)胞直接注射到正在發(fā)育的腎臟內(nèi)，然后進行胚胎和器官培養(yǎng)，結(jié)果表明間充質(zhì)干細(xì)胞確實具有轉(zhuǎn)分化的潛能[13]。但有文獻研究認(rèn)為，在腎臟急性損傷后，腎小管細(xì)胞發(fā)生顯著增殖，在損傷后腎小管中只能檢測到極其少量的間充質(zhì)干細(xì)胞，提示被短暫地募集到受損腎臟內(nèi)的間充質(zhì)干細(xì)胞可能發(fā)揮營養(yǎng)的作用[14]。間充質(zhì)干細(xì)胞在Ty-1腎小球腎炎模型中參與了腎小球的修復(fù)[15-16]，在奧爾波特綜合征模型中參與了腎小球通透性屏障的修復(fù)[17]。最近研究發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞在小鼠的敗血癥模型中，通過釋放前列腺素E2來重新編碼巨噬細(xì)胞，從而減少病死率并改善腎功能[18]。

以上研究表明，腎功能和形態(tài)的恢復(fù)伴隨著間充質(zhì)干細(xì)胞被暫時募集到腎脈管系統(tǒng)中并且很少量地整合到再生的腎小管中。對這個現(xiàn)象的可能解釋是：間充質(zhì)干細(xì)胞可能是通過旁分泌或內(nèi)分泌的作用來修復(fù)腎臟的，這種修復(fù)機制主要依靠損傷后殘存的固有上皮細(xì)胞來實現(xiàn)。組織修復(fù)的旁分泌或內(nèi)分泌機制的最有力的證據(jù)來自于這樣的實驗：把來自于間質(zhì)干細(xì)胞的條件培養(yǎng)基注入體內(nèi)，可以模擬干細(xì)胞治療的效果。Bi等[19]研究表明間質(zhì)干細(xì)胞條件培養(yǎng)基含有一些因子，這些因子可以限制腎小管細(xì)胞的凋亡并促進其增殖，還可以保護腎臟的中毒性損傷。旁分泌或內(nèi)分泌因子可以通過成熟細(xì)胞的去分化或激活腎臟干/祖細(xì)胞的方式來介導(dǎo)內(nèi)源性的再生作用。除了可溶性的因子，干細(xì)胞來源的條件培養(yǎng)基還含有微泡，這些微泡是細(xì)胞之間通訊的新機制[20]。

2 微泡介導(dǎo)的遺傳信息轉(zhuǎn)移作用

干細(xì)胞的表型在細(xì)胞周期的的運轉(zhuǎn)中可以發(fā)生可逆的變化，直到在周期敏感點受到終末分化信號的刺激為止。細(xì)胞周期的狀態(tài)和暴露于臨近細(xì)胞產(chǎn)物的微環(huán)境，可能對干細(xì)胞的可塑性發(fā)揮關(guān)鍵作用[21]。干細(xì)胞可能在不同的功能狀態(tài)中表現(xiàn)出不同的表型，這取決于細(xì)胞周期的不同階段。微環(huán)境特別是微泡介導(dǎo)的細(xì)胞之間的遺傳信息的轉(zhuǎn)移，可以調(diào)控這個動態(tài)的環(huán)境[22]。Quesenberry等[22]把干細(xì)胞這一概念視為一個交互式的維恩圖，連續(xù)變化的干細(xì)胞與連續(xù)變化的環(huán)境相互作用，雙方均受微泡介導(dǎo)的遺傳信息轉(zhuǎn)移機制調(diào)控。

3 微泡在細(xì)胞通訊中的作用

新的研究認(rèn)為從細(xì)胞上脫落的微泡并不是人工現(xiàn)象[23]，而是可以在體內(nèi)自然發(fā)生的現(xiàn)象[24]。微泡來源于細(xì)胞內(nèi)的膜區(qū)室，與細(xì)胞膜融合后從細(xì)胞表面被釋放。激動劑和物理或化學(xué)因素活化細(xì)胞后，觸發(fā)了微泡的釋放。目前，研究認(rèn)為微泡可能通過特異性的受體配體結(jié)合與細(xì)胞相互作用[25-26]。微泡被內(nèi)吞到靶細(xì)胞后，可能向細(xì)胞轉(zhuǎn)移表面受體、蛋白和生物活性脂類[27]。此外，微泡作為細(xì)胞之間遺傳信息交換的媒介，傳遞特定的mRNA和microRNA[28]。內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs）產(chǎn)生的微泡被內(nèi)吞到正常內(nèi)皮細(xì)胞后，可以通過mRNA水平轉(zhuǎn)移的方式來激活血管生成[29]。EPCs產(chǎn)生的微泡可以轉(zhuǎn)移一些特定的mRNA，如與PI3K/AKT和eNOS信號通路相關(guān)的mRNA，進而被翻譯成為控制血管生成的蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，攜帶綠色熒光蛋白（GFP）mRNA的微泡，可以把綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)移到內(nèi)皮靶細(xì)胞，這是mRNA轉(zhuǎn)移的有力證據(jù)[29]。最近研究發(fā)現(xiàn)胚胎干細(xì)胞（ESCs）來源的微泡不僅能向靶細(xì)胞轉(zhuǎn)移mRNA，還可以轉(zhuǎn)移microRNA[30]。胚胎干細(xì)胞是微泡的充足來源，其參與了干細(xì)胞的自我更新和增殖。Ratajczak等[28]證實胚胎干細(xì)胞釋放的微泡通過傳遞mRNA和蛋白的方式，來重新編碼造血祖細(xì)胞。干細(xì)胞可能不僅在微環(huán)境釋放生物活性的微泡，也可能在骨髓動員之后的血液中釋放[31]。因此，微泡可能通過轉(zhuǎn)移特定的蛋白、mRNA和microRNA的方式，成為干細(xì)胞和已分化細(xì)胞信號通路的重要的旁分泌/內(nèi)分泌介導(dǎo)因子。

4 受損組織來源的微泡及其作用

骨髓細(xì)胞在移植到受損組織后可以產(chǎn)生非髓細(xì)胞，但是它們對于腎是否有修復(fù)的作用尚存爭議。另外，一些研究發(fā)現(xiàn)腎臟內(nèi)存在的一小群固有干細(xì)胞也可能有助于腎修復(fù)[32]。

有關(guān)干細(xì)胞與受損細(xì)胞相互作用后發(fā)生改變的機制亦存在爭議，目前尚未證實轉(zhuǎn)分化是干細(xì)胞可塑性的一個機制。但針對不同性別的骨髓移植實驗認(rèn)為，融合可能是干細(xì)胞可塑性的一個機制[21]。Aliotta等[33]研究表明，干細(xì)胞的分化與細(xì)胞表觀遺傳學(xué)的改變有關(guān)，這種改變是由受損細(xì)胞發(fā)出的信號介導(dǎo)的，這些特異性的信號可能是通過微泡介導(dǎo)的遺傳信息轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)傳遞的。Dooner等[34]研究顯示，從受損的肺細(xì)胞中分離的骨髓細(xì)胞可表達一些肺特異性蛋白的基因，如細(xì)支氣管細(xì)胞特異蛋白，表面活化劑B和表面活化劑C；受損細(xì)胞釋放到上清中的微泡，可以誘導(dǎo)骨髓細(xì)胞表達肺特異性基因。研究發(fā)現(xiàn)受損肺細(xì)胞來源的微泡含有高水平的肺特異性mRNA，并且可以向骨髓細(xì)胞傳遞這些mRNA[21]。最近有報道表明，來自腎小管上皮細(xì)胞的條件培養(yǎng)基可以誘發(fā)人間充質(zhì)干細(xì)胞的分化[35]。這些結(jié)果表明，來自受損組織的微泡可能在組織生理學(xué)修復(fù)過程中介導(dǎo)骨髓或固有的干細(xì)胞的表型的變化。

5 干細(xì)胞來源的微泡及其作用

很多關(guān)于急性損傷后腎小管再生的研究表明，腎小管細(xì)胞在這一過程中發(fā)揮顯著作用[2-3]。外源的干細(xì)胞可以發(fā)揮有益的作用，這個作用與旁分泌/內(nèi)分泌有關(guān)。干細(xì)胞釋放的微泡被募集到組織損傷的位點，可能誘導(dǎo)損傷后殘存的細(xì)胞發(fā)生去分化，使這些細(xì)胞暫時獲得類似干細(xì)胞的表型并且激活組織再生程序。最近的研究證實人間充質(zhì)干細(xì)胞釋放的微泡可以刺激腎小管上皮細(xì)胞的體外增殖和抗凋亡作用，還可以加速甘油誘導(dǎo)的免疫缺陷（SCID）小鼠急性腎臟損傷的功能和形態(tài)修復(fù)[36]。在加速急性腎損傷修復(fù)中，微泡和間充質(zhì)干細(xì)胞均是有效的，間充質(zhì)干細(xì)胞的有益作用在很大程度上是依賴于微泡的釋放。研究顯示，用RNA酶處理微泡，可以阻礙微泡在體內(nèi)和體外發(fā)揮作用[36]，表明微泡發(fā)揮作用的機制依賴于RNA的傳遞。與之前關(guān)于內(nèi)皮祖細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)一致，微泡含有特定的轉(zhuǎn)錄本而不是隨機的細(xì)胞mRNA。間充質(zhì)干細(xì)胞釋放的微泡含有很多具有間充質(zhì)干細(xì)胞分化和功能特點的mRNA，表明這些mRNA具有細(xì)胞特異性[36]。這些發(fā)現(xiàn)表明，微泡內(nèi)mRNA的變化依賴于刺激，細(xì)胞微泡的產(chǎn)生過程是受到嚴(yán)密調(diào)控的。目前研究對于這些mRNA進入靶細(xì)胞是否激活了這些轉(zhuǎn)錄本的翻譯控制機制或特異性檢驗點尚未有定論。雖然在急性腎損傷的小鼠的腎小管細(xì)胞中存在人特異性的mRNA和蛋白質(zhì)，表明確實發(fā)生了mRNA向腎小管細(xì)胞的轉(zhuǎn)移[36]，但是其他細(xì)胞也可能參與了此類遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移。Bonventre[37]研究認(rèn)為，內(nèi)皮細(xì)胞可能也是微泡的靶細(xì)胞，導(dǎo)致腎灌注、炎癥和血管通透性的改變，從而可能影響急性腎損傷的修復(fù)。

微泡介導(dǎo)的從干細(xì)胞或前體細(xì)胞向受損細(xì)胞的遺傳信息轉(zhuǎn)移，是否具有治療的前景尚需要進一步的研究。在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用微泡可以避免干細(xì)胞移植入腎臟后可能出現(xiàn)的分化不良[38]，具有潛在的巨大價值。

6 結(jié)語與展望

目前，研究已經(jīng)證實了干細(xì)胞通過旁分泌/內(nèi)分泌機制進行腎臟修復(fù)[1]。然而，干細(xì)胞的旁分泌/內(nèi)分泌作用的機制尚未明確。最近研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞可塑性的機制依賴于微泡介導(dǎo)的遺傳信息交換[22]，表明干細(xì)胞能夠以細(xì)胞周期相關(guān)的方式來不斷地改變它們的表型，各種不同的干細(xì)胞類型可能僅僅是不同功能的變體。此外，微泡介導(dǎo)的遺傳信息轉(zhuǎn)移是可塑性的一個獨特機制，這不僅可以解釋干細(xì)胞表型改變，還可以解釋不需要通過轉(zhuǎn)分化為組織細(xì)胞來實現(xiàn)組織修復(fù)[22]。來自于干細(xì)胞的微泡可以改變靶細(xì)胞的功能，可能不通過直接替換實質(zhì)細(xì)胞的方式來修復(fù)受損的組織；轉(zhuǎn)錄本的轉(zhuǎn)移可能通過協(xié)調(diào)可溶性因子的產(chǎn)生從而調(diào)控細(xì)胞增殖、抗凋亡和（或）抑制炎癥和免疫反應(yīng)。因此，基于干細(xì)胞來源的微泡的治療方法將來有可能成為腎病治療的有效方法。

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