現代細胞生物學研究詮釋三焦器官/間充質組織系統的醫學實質

安星燕，陳云飛，李 娜，范俊芬，朱榕嘉，趙春華

(中國醫學科學院基礎醫學研究所 北京協和醫學院基礎學院 組織工程中心，北京 100005)

三焦(triple energizer)一詞最早起源于《黃帝內經》，是中醫藏象學說中一個特有的名詞。醫學上對三焦有諸多研究，很多疑難雜癥可以通過調節三焦而進行治療。隨著對人體的認知進入細胞生物學，趙春華教授團隊發現了三焦器官的分布與功能同間充質干細胞系統源頭發育及間充質組織系統非常相近，歷時多年,進行了細胞生物學、發育生物學、結構生物學及系統功能等的研究，最終揭示了三焦的實質。

1 三焦的發育、來源和組織結構

1.1 三焦的發育、來源

在胚胎發育過程中，三焦源于間充質干細胞(mesenchymal stem cells , MSCs)系統，發育起源主要源于神經嵴和中胚層及胚胎發育后的不同階段干細胞分化成的間充質干細胞。當人體胚胎分化時，細胞分泌出肽鏈蛋白交聯成為三焦器官支架，這些支架最終以筋膜的形式分布在機體之中，發揮了筋膜的作用[1]；與此同時細胞又分泌出膠原蛋白充盈于支架中，形成三焦的支撐器官組織結構。趙春華教授團隊通過一系列基礎研究，拓展了前期對間充質干細胞的科學認知，在國際上首次提出“間充質組織系統(mesenchymal tissue system)”的理論概念，發現間充質組織系統由來自胚胎發育的不同階段的所有間充質干細胞組成，包括亞全能性干細胞到間充質干細胞及多種祖細胞[2-3]。他們分離鑒定的組織器官，胚后亞全能干細胞是胚胎發育過程中位于間充質組織系統的發育源頭、到祖細胞包括所有的間充質干細胞亞群，如內皮細胞和周細胞等，形成了三焦器官。間充質組織系統是胚胎后的亞全能干細胞向間充質干細胞前體發育分化的所有間充質細胞組成的一個復雜混合的細胞群體，包含了源自胚胎不同發育胚層和整個生長發育過程的多個不同階段及三胚層不同組織來源的間充質干細胞。人體間充質細胞系統的細胞復制、增殖、分化等均在三焦器官之中完成，三焦廣泛分布于全身包括皮膚真皮層、胃腸道、肺部、泌尿系統、血管等幾乎所有器官和組織，間充質細胞系統的細胞在三焦器官形成的間充質組織系統中遷移、歸巢到功能臟器中[4]，在胚胎時期完成功能臟器的塑造，在成體期后維持組織細胞平衡、修復和再生受損組織。趙春華教授團隊認為三焦器官的間充質組織系統均具有干細胞自我復制多系分化特性、平衡機體組織微環境與組織代謝及突出的免疫調控功能的三大重要生物學特征(圖1)。

1.2 三焦的組織結構

間充質干細胞已經在骨髓、臍帶、脂肪等多種組織器官中分離得到。間充質干細胞不僅具備干細胞的基本特性，還具有低免疫原性、免疫調節能力等特性，其分離出的間充質細胞并不分布在已知的器官組織之中，而是在器官組織間隙，它包括間充質干細胞及其內皮細胞和周細胞等，是人體微環境調節的必要細胞組成部分，這正是三焦器官的分布所在，間充質細胞系統，即三焦器官/間充質組織系統[2-3]。趙春華教授團隊從三焦組織重要器官骨髓腔研究入手獲取組織細胞，以調控細胞之間及細胞與細胞外基質間相互作用CD146分子分選出構成三焦結構主要功能細胞—間充質干細胞/周細胞群體，鑒定了該功能細胞具有細胞黏連聚集、細胞骨架重組、形態維持特征性標志—分子表型為CD146、CD90、CD29、CD44陽性，CD34、CD31等造血內皮細胞標記陰性，MHC-Ⅱ類分子HLA-DR陰性，且間充質干細胞/周細胞表達多能干細胞基因OCT-4及NANOG等。且在從大鼠腦三焦組織中分離細胞進行混合膠質細胞培養14 d發現并拍攝記錄了以周細胞為代表的參與細胞間相互作用的三焦組織細胞具有可收縮功能(圖2A-C)。紐約大學的病理學教授Neil Theise團隊利用了一種新技術—基于探針的激光共聚焦顯微內鏡， 在內窺鏡檢查時， 以高分辨率實時觀測活體組織成像，進一步發現黏膜下層中存在一種充滿液體的網格空間結構，由膠原纖維束包裹間質液而成(圖2D)，揭示了三焦器官結構由三部分組成：支架、膠原、間充質干細胞及其組織細胞、內皮細胞和周細胞等[5]。三焦器官廣泛分布于全身，包括皮膚真皮層、胃腸道、肺部、泌尿系統和血管等幾乎所有器官和組織的黏膜下層，這些部位正是間充質干細胞系統被發現的部位。

圖1 間充質組織系統的起源及鑒定Fig 1 Origin and identification of mesenchymal tissue system

三焦器官能較好地解釋間充質干細胞在分化潛能和免疫調節功能中的各種組織細胞結構及功能異質性。間充質組織系統功能是通過三胚層多譜系分化、調控組織微環境及代謝平衡、調控免疫三大功能方式來維持組織更新、代謝、損傷修復和免疫平衡。將該理論擴展到臨床治療，系統研究三焦器官不同群體間充質干細胞并制定分化調控策略，為干細胞用于治療多種難治性疾病關鍵技術開發提供了理論依據。

2 三焦器官是支撐機體各大系統、維持組織器官功能的場所

三焦在中醫中，作為六腑之一，是分布于全身的一個大腑，惟三焦最大，無與匹配，故有“孤府”之稱。正如張景岳《類經·臟象類》所說：“三焦者，確有一腑，蓋臟腑之外，軀殼之內，包羅諸臟，一腔之大腑也”。隨著科技的進步， 尤其是細胞生物學與醫療活體檢測的發展，人們對人體有了更多的認識與了解，醫學的一些科學發現與遠古醫學逐漸契合，本文從間充質干細胞及間充質組織系統概念闡述三焦器官的發育來源和功能及其實質，把原來抽象的三焦概念通過現代細胞生物學研究與醫療活體檢測技術的結合使三焦器官實體化了，揭示了三焦器官是存在于人體各組織臟器間、皮膚真皮層、 組織的黏膜下層， 胃腸道、肺部、泌尿系統間、血管組織間等，具有特殊組織結構的最大臟腑器官。三焦器官聯系于人體組織之間、器官系統之間，并濡養全部組織器官和細胞，形成間充質組織系統，發揮著干細胞儲備、水液代謝、養分運輸、免疫調節、激素運輸、信號傳遞的通道等諸多生物功能，將人體組織器官功能合一。三焦器官是人體免疫應答參與重要免疫調控的場所，而間充質組織系統是組織間激素、內分泌調節及組織代謝間質細胞有機系統。

A.分選后骨髓貼壁細胞高表達CD146分子；B.分選后CD146+BMSCs的免疫表型；C.光鏡下觀察到具有收縮功能的三焦組織細胞(×100)；D.三焦器官結構組成

三焦器官支架由基質細胞分化而來，于功能組織及其細胞之間支撐起一個空間腔隙，以供間充質組織系統進行生物學活動，其中的膠原組織是由細胞分泌而來，主要物質由膠原蛋白組成。間充質干細胞廣泛分布于三焦器官之中，承擔組織再生、修復，免疫調節，因子釋放，ATP能源提供等作用。可以說除了功能臟器組織之外的人體組織都是三焦器官/間充質組織系統，包括血管內膜下腔隙：維護血管結構與彈性等功能正常；骨髓腔：儲備亞全能干細胞和造血干細胞，是血液再生和組織重建的源頭；蛛網膜下腔：分泌腦脊液濡養大腦和脊髓；心包腔:保護心臟，代謝心液；胸膜腔:保護肺臟，代謝肺液；關節腔：保護關節，分泌關節液；大網膜間隙：腹腔物質交換，維持腹腔內微環境；肌肉筋膜層間隙：保護并營養肌肉；全部黏膜下間隙：全身體液調節，組織間物質交換。三焦器官是間充質干細胞休眠及復蘇、復制或分化的場所，間充質組織系統是供生命活動的能量流動和生物信號分子與遞質運輸的場所。

3 三焦器官/間充質組織系統的功能

3.1 三焦器官/間充質組織系統是涵蓋和運輸全身液體及可流動物質的系統

人體組織含水量達50%～70%，這些液體除了分布于細胞內的，絕大部分都分布于三焦器官之中，間充質組織系統匯集了全部組織的代謝液體、分泌的激素、釋放的生物信號分子等，運輸生物信號分子到指定的靶組織器官，如將胰島素分布入血液結合到膜受體發揮作用等；代謝掉廢棄物，如從奏里排出汗液，從膀胱排出尿液，從大腸排除糞便等。《素問·六節藏象論》說：“三焦……倉廩之本，營之居也，名曰器，能化糟粕，轉味而入出者也。”指出三焦具有對水谷的精微變化為營氣，以及傳化糟粕的作用。

人體水液代謝是一個復雜的生理過程，是多個臟腑的一系列生理功能的綜合作用。如《素問·經脈別論》認為：“飲入于胃，游溢精氣，上輸于脾，脾氣散精，上歸于肺，通調水道，下輸膀胱，水精四布，五經并行”。水液代謝雖由胃、脾、肺、腎、腸、膀胱等臟腑共同協作而完成，但人體水液的升降出入，周身環流，則必須以三焦為通道才能實現。因此，三焦水道的通利與否，不僅影響到水液運行的遲速，而且也必然影響到有關臟腑對水液的輸布與排泄功能。

3.2 三焦器官/間充質組織系統統領能量生成與轉化、器官組織功能調節與代謝

《中藏經·論三焦虛實寒熱生死逆順脈證之法》說：“三焦者，人之三元之氣也，號曰中清之府，總領五臟六腑、營衛、經絡、內外、左右、上下之氣也。三焦通，則內外左右上下皆通也，其于周身灌體，和內調外，營左養右，導上宣下，莫大于此也”。能量即是中醫里講的氣，《難經》六十六難說：“三焦者，原氣之別使也，主通行三氣，經歷五臟六腑。”原文明確地說明三焦是人體元氣(原氣)升降出入的道路，人體元氣是通過三焦而到達五臟六腑和全身各處的。氣被分為元氣、宗氣、營氣、衛氣。

氣是能量，人體的能量是ATP，線粒體產生的ATP，元氣是先天之氣，是首發動力，是生命伊始，出生前靠母體培養；出生后水谷運化的宗氣(食物養分)以及呼吸進來的清氣(氧氣)，進入細胞線粒體，線粒體依靠儲備的元將其生成人體生命活動賴以生存的氣，推動氣血運行于三焦，遍布周身[6]。

元氣，為人體最根本的氣，是生命活動的原動力。元氣根于腎，通過三焦別入十二經脈而達于五臟六腑，故稱三焦為元氣之別使。因為三焦通行元氣于全身，是人體之氣升降出入的通道，亦是氣化的場所，故稱三焦有主持諸氣，總司全身氣機和氣化的功能。如果元氣虛弱，三焦通道運行不暢或衰退，就會導致全身或某此部位的氣虛現象。

“元氣”就是胚胎后的組織干細胞，是由受精卵即“元精”化生，所以名之為“元氣”。趙春華教授及團隊系統闡明了間充質干細胞的等級結構性(hierarchy)，將其還原中醫的元氣功能，首次利用高通量組學技術解析了人間充質干細胞亞群全基因組組蛋白圖譜及三胚層分化關鍵轉錄因子組蛋白修飾狀態，通過模擬胚胎發育自然程序和小分子化合物誘導策略，成功實現了間充質干細胞向三胚層分化的高效誘導分化技術體系，包括：間充質干細胞向內胚層胰腺干/祖細胞及胰島素分泌細胞階段性分化等體系[7-8]，間充質干細胞向外胚層階段性分化為神經等譜系細胞的高效誘導體系[9]；建立了間充質干細胞向腎臟干祖細胞誘導體系，成功模擬后腎微環境，誘導間充質干細胞向腎臟細胞分化等[10]，在體內證明了間充質干細胞直接分化為多種組織細胞并對組織損傷的修復起重要作用。通過上述研究詮釋了元氣與間充質干細胞的功能一致性，并揭示了間充質組織能量生成與轉化的可能機制。

元氣的作用重要性與亞全能干細胞發育及形成三焦器官間充質組織系統，從發揮作用上一脈相承。元氣的作用是多方面的，它通過三焦運行于人體全身，五臟六腑得到元氣的推動激發從而發揮各自的功能。維持人體的正常發育和活動。五臟六腑之氣的產生，都源于元氣。因此，元氣充足，臟腑功能就是強健，身體就健康。如果先天不足，或者久病而損傷元氣，則身體衰弱，也容易患染其他疾病，所以，醫學以培養元氣為治病之本，因此干細胞的補充可以治療很多難治性疾病。

“宗氣”和“營氣”，是由自然界吸入的氧氣和由脾胃消化產生的水谷的精微由間充質組織系統中的線粒體加工成為ATP。具有幫助肺臟進行呼吸和貫通心脈以行營血的作用，經三焦進入脈道成為血液的組成部分，隨血液運動于周身。化生血液，營養全身，調節代謝平衡。

間充質組織系統具有調控組織代謝平衡的作用，以成脂成骨為例，間充質干細胞是脂肪和骨的共同起源細胞，成脂和成骨分化異常將導致骨質疏松癥、股骨頭壞死、肥胖癥、胰島素抵抗等多種疾病發生。三焦器官在機體向不同組織分化的命運決定及譜系特化內在調控機制，防治機體代謝失調具有重要臨床意義。趙春華教授團隊發現miR-138通過直接靶向下調EID-1，抑制MSC向成脂細胞分化[11]；而miR-450b通過直接靶向抑制BMP3，促進干細胞的成骨分化[12]；miR-100通過下調BMPR2表達抑制干細胞向成骨細胞分化[13]；miR-10b則通過靶向SMAD2，發揮促進成骨分化和抑制成脂分化的作用[14]；let-7則通過調控HMGA2在干細胞成骨分化和胚胎骨發育中發揮作用[15]；長鏈非編碼RNA ADINR通過轉錄激活脂肪生成關鍵轉錄因子C/EBPα的表達促進脂肪生成[16]。采用了安全的小分子miRNA干預策略，實現了MSCs向脂肪和骨分化平衡的調控，為提供了MSC治療脂肪和骨代謝失衡相關疾病新的干預靶點，揭示了三焦器官在組織代謝平衡疾病治療過程中具有重要臨床應用價值。

“衛氣”體現了間充質干細胞的免疫調節功能，衛氣行于脈外，敷布全身，內而臟腑，外而皮毛，都有一種溫暖和保衛的作用，是陽氣的一部分，能使毛孔開合抵抗外邪，衛氣虛則易汗易感冒。

趙春華教授團隊在國際上率先闡述了間充質組織系統發揮免疫調節的可能機制[17-21]：1)間充質干細胞分泌具有抑炎作用的可溶性因子或通過細胞—細胞間的直接接觸來發揮作用；2)間充質干細胞作用靶細胞包括T、B、單核、巨噬、NK、DC等免疫功能細胞。并在此基礎上，提出了多個調控策略：①IL-10調控DC的生成與功能策略：將成熟的DC誘導成一類Jagged-2依賴的調節性DC群體。②IL-10和INF-γ抑制Th17分化策略：闡述間充質干細胞通過分泌IL-10調控免疫T細胞等功能，激活細胞因子信號傳導抑制蛋白3和轉錄因子5的磷酸化，減少信號傳遞和轉錄因子3的激活，抑制Th17分化MSC還可通過INF-γ介導的SOCS3激活抑制Th17的分化。③Jagged-1調控T細胞策略：間充質干細胞通過Jagged-1介導的NF-κB信號抑制，調控T淋巴細胞的免疫抑制作用等。④表觀模式調控B細胞策略：間充質干細胞通過改變Akt和p38通路的磷酸化模式調控B淋巴細胞增殖與分化。通過上述四大調控策略實現了三焦器官多靶點調節機體免疫系統的目的，為難治性疾病治療方案的制訂提供了整體指導思想。

3.3 三焦器官包裹臟器濡養臟氣承擔了人體經絡的生理功能

三焦器官在結構及功能上與中醫的經絡有重合之處，三焦器官是聯系臟腑和體表及全身各部的通道，這點與經絡生理功能頗為相似，中醫上說：經絡是運行氣血、聯系臟腑和體表及全身各部的通道，人體由五臟六腑、四肢百骸、五官九竅、皮肉筋骨等組成，只有通過三焦器官與各個臟器聯系作用，以溫養濡潤各臟腑、組織和器官，才能達到相互配合、相互協調，完成人體功能的調控系統。

經絡的功能通過感應傳導的三焦器官來實現，經絡感應刺激、傳導信息的作用，是人體針灸和按摩的基礎，當人體的某一部位受到刺激時，這個刺激就可沿著經脈傳入人體內有關臟腑，使其發生相應的生理或病理變化。

間充質組織系統是三焦器官的生物學基礎。三焦器官是各個臟器的天然智慧孵化器，臟器從三焦器官中攝取能量，滿足了各個臟器生長代謝的微環境。總觀三焦，膈以上為上焦，包括心與肺；橫膈以下到臍為中焦，包括脾與胃；臍以下至二陰為下焦，包括肝、腎、大小腸、膀胱、女子胞等。其中肝臟，按其部位來說，應劃歸中焦，但因它與腎關系密切，故將肝和腎一同劃歸下焦。三焦的功能實際上是五臟六腑全部功能的總體。各個臟器分布在身體的特定位置各司其職，且五臟中的五行相生相克，相乘相侮，如肝氣犯胃，心腎不交。間充質組織系統把各個臟腑器官聯系成為了一個有機整體，只有調節間充質組織系統、精準完成臟器之間復雜的網絡交聯和信息傳遞，才能確保臟器新陳代謝平衡。

結語：三焦器官是分布于人體組織之間、器官系統之間，具有特殊組織結構，趙春華教授團隊分選并鑒定了構成三焦結構主要功能細胞—間充質干細胞/周細胞群體，并從活體腦組織中分離到具有可收縮功能的三焦組織細胞。間充質組織系統承擔著人體水液代謝、養分與激素運輸、信號傳遞的通道，發揮著干細胞儲備、增殖分化、免疫調節、連接并濡養全部組織和細胞，將人體組織器官有機合一的功能。三焦器官聯系臟腑，濡養臟腑、組織和器官，運行氣血、感應傳，完成人體經絡功能的調控。提出人體三焦器官即是間充質組織系統的概念，闡明了三焦器官間/充質組織系統精準完成組織細胞內分泌系統代謝、免疫平衡、組織器官再生修復和功能重建機制。