干細胞修復腎臟的旁分泌/內分泌機制*

謝曉強 呂碧鋒 章振保 孔德領 李宗金 徐 勇

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

1 干細胞與腎臟修復

骨髓來源的干細胞可以修復多種組織器官。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胞可以在腎小管上皮再生中發揮作用。Fang等[5]研究顯示，造血干細胞（HSCs）而不是間充質干細胞（MSCs）參與了急性腎損傷（AKI）的修復。目前，骨髓來源的干細胞具有在損傷后分化為腎小管上皮細胞的能力已成為業界共識。研究表明，腎小管固有的細胞，如殘存的已分化細胞，在損傷后替換腎小管細胞的過程中發揮主要作用[3]。

體外擴增的干細胞注入體內后，在順鉑、甘油和缺血再灌注誘發的急性腎小管損傷中，間充質干細胞可以保護腎臟并促進其修復[10]。最近的研究顯示，間充質干細胞還可以改善慢性腎衰竭患者的腎功能[11]。最初人們認為，間充質干細胞可能移入腎臟并替換了受損的上皮細胞[12]。把間充質干細胞直接注射到正在發育的腎臟內，然后進行胚胎和器官培養，結果表明間充質干細胞確實具有轉分化的潛能[13]。但有文獻研究認為，在腎臟急性損傷后，腎小管細胞發生顯著增殖，在損傷后腎小管中只能檢測到極其少量的間充質干細胞，提示被短暫地募集到受損腎臟內的間充質干細胞可能發揮營養的作用[14]。間充質干細胞在Ty-1腎小球腎炎模型中參與了腎小球的修復[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[17]。最近研究發現間充質干細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，腎功能和形態的恢復伴隨著間充質干細胞被暫時募集到腎脈管系統中并且很少量地整合到再生的腎小管中。對這個現象的可能解釋是：間充質干細胞可能是通過旁分泌或內分泌的作用來修復腎臟的，這種修復機制主要依靠損傷后殘存的固有上皮細胞來實現。組織修復的旁分泌或內分泌機制的最有力的證據來自于這樣的實驗：把來自于間質干細胞的條件培養基注入體內，可以模擬干細胞治療的效果。Bi等[19]研究表明間質干細胞條件培養基含有一些因子，這些因子可以限制腎小管細胞的凋亡并促進其增殖，還可以保護腎臟的中毒性損傷。旁分泌或內分泌因子可以通過成熟細胞的去分化或激活腎臟干/祖細胞的方式來介導內源性的再生作用。除了可溶性的因子，干細胞來源的條件培養基還含有微泡，這些微泡是細胞之間通訊的新機制[20]。

2 微泡介導的遺傳信息轉移作用

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

3 微泡在細胞通訊中的作用

新的研究認為從細胞上脫落的微泡并不是人工現象[23]，而是可以在體內自然發生的現象[24]。微泡來源于細胞內的膜區室，與細胞膜融合后從細胞表面被釋放。激動劑和物理或化學因素活化細胞后，觸發了微泡的釋放。目前，研究認為微泡可能通過特異性的受體配體結合與細胞相互作用[25-26]。微泡被內吞到靶細胞后，可能向細胞轉移表面受體、蛋白和生物活性脂類[27]。此外，微泡作為細胞之間遺傳信息交換的媒介，傳遞特定的mRNA和microRNA[28]。內皮祖細胞（EPCs）產生的微泡被內吞到正常內皮細胞后，可以通過mRNA水平轉移的方式來激活血管生成[29]。EPCs產生的微泡可以轉移一些特定的mRNA，如與PI3K/AKT和eNOS信號通路相關的mRNA，進而被翻譯成為控制血管生成的蛋白。研究發現，攜帶綠色熒光蛋白（GFP）mRNA的微泡，可以把綠色熒光蛋白轉移到內皮靶細胞，這是mRNA轉移的有力證據[29]。最近研究發現胚胎干細胞（ESCs）來源的微泡不僅能向靶細胞轉移mRNA，還可以轉移microRNA[30]。胚胎干細胞是微泡的充足來源，其參與了干細胞的自我更新和增殖。Ratajczak等[28]證實胚胎干細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胞。干細胞可能不僅在微環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，微泡可能通過轉移特定的蛋白、mRNA和microRNA的方式，成為干細胞和已分化細胞信號通路的重要的旁分泌/內分泌介導因子。

4 受損組織來源的微泡及其作用

骨髓細胞在移植到受損組織后可以產生非髓細胞，但是它們對于腎是否有修復的作用尚存爭議。另外，一些研究發現腎臟內存在的一小群固有干細胞也可能有助于腎修復[32]。

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

5 干細胞來源的微泡及其作用

很多關于急性損傷后腎小管再生的研究表明，腎小管細胞在這一過程中發揮顯著作用[2-3]。外源的干細胞可以發揮有益的作用，這個作用與旁分泌/內分泌有關。干細胞釋放的微泡被募集到組織損傷的位點，可能誘導損傷后殘存的細胞發生去分化，使這些細胞暫時獲得類似干細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干細胞釋放的微泡可以刺激腎小管上皮細胞的體外增殖和抗凋亡作用，還可以加速甘油誘導的免疫缺陷（SCID）小鼠急性腎臟損傷的功能和形態修復[36]。在加速急性腎損傷修復中，微泡和間充質干細胞均是有效的，間充質干細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和體外發揮作用[36]，表明微泡發揮作用的機制依賴于RNA的傳遞。與之前關于內皮祖細胞的發現一致，微泡含有特定的轉錄本而不是隨機的細胞mRNA。間充質干細胞釋放的微泡含有很多具有間充質干細胞分化和功能特點的mRNA，表明這些mRNA具有細胞特異性[36]。這些發現表明，微泡內mRNA的變化依賴于刺激，細胞微泡的產生過程是受到嚴密調控的。目前研究對于這些mRNA進入靶細胞是否激活了這些轉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胞中存在人特異性的mRNA和蛋白質，表明確實發生了mRNA向腎小管細胞的轉移[36]，但是其他細胞也可能參與了此類遺傳物質的轉移。Bonventre[37]研究認為，內皮細胞可能也是微泡的靶細胞，導致腎灌注、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。

微泡介導的從干細胞或前體細胞向受損細胞的遺傳信息轉移，是否具有治療的前景尚需要進一步的研究。在再生醫學領域使用微泡可以避免干細胞移植入腎臟后可能出現的分化不良[38]，具有潛在的巨大價值。

6 結語與展望

目前，研究已經證實了干細胞通過旁分泌/內分泌機制進行腎臟修復[1]。然而，干細胞的旁分泌/內分泌作用的機制尚未明確。最近研究發現細胞可塑性的機制依賴于微泡介導的遺傳信息交換[22]，表明干細胞能夠以細胞周期相關的方式來不斷地改變它們的表型，各種不同的干細胞類型可能僅僅是不同功能的變體。此外，微泡介導的遺傳信息轉移是可塑性的一個獨特機制，這不僅可以解釋干細胞表型改變，還可以解釋不需要通過轉分化為組織細胞來實現組織修復[22]。來自于干細胞的微泡可以改變靶細胞的功能，可能不通過直接替換實質細胞的方式來修復受損的組織；轉錄本的轉移可能通過協調可溶性因子的產生從而調控細胞增殖、抗凋亡和（或）抑制炎癥和免疫反應。因此，基于干細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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