李程豪，劉永琦,2，駱亞莉，伍志偉

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué) 1.甘肅省高校重大疾病分子醫(yī)學(xué)與中醫(yī)藥防治研究省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、2.敦煌醫(yī)學(xué)與轉(zhuǎn)化省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730000)

間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells, MSCs)具有易于體外分離及擴(kuò)增、免疫原性低、腫瘤趨向性及易于導(dǎo)入各種基因的優(yōu)良特性[1]，已成為多個領(lǐng)域細(xì)胞替代治療和組織工程學(xué)首選的種子細(xì)胞[2]。多個研究證明，MSCs在受到炎癥等應(yīng)激因素的刺激下，可能出現(xiàn)細(xì)胞器及DNA的損傷，且增殖及分化能力出現(xiàn)異常改變[3]。這些損傷和改變將對MSCs的應(yīng)用研究造成較大影響，并為其廣泛推廣于臨床提出了挑戰(zhàn)。細(xì)胞自噬是指細(xì)胞利用溶酶體降解自身細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞器的過程,其被視為清除廢物、重新合成的有效替代途徑，對維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)十分重要[4]。自噬是一種廣泛存在于真核細(xì)胞中的自我調(diào)節(jié)機(jī)制，一方面，炎癥能夠誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的發(fā)生，并幫助細(xì)胞應(yīng)對外界刺激、維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定[5]，調(diào)節(jié)細(xì)胞生理過程[6]；另一方面，被激活的自噬作用可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞的旁分泌功能，對細(xì)胞外炎性環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)[7]。但目前對于炎性環(huán)境與自噬相互作用將如何影響炎性環(huán)境中的MSCs尚不清楚，本文將圍繞炎性環(huán)境、自噬以及MSCs三者相互作用、相互影響的關(guān)系進(jìn)行討論。

1 炎性環(huán)境與MSCs

1.1MSCs在炎癥疾病防治中的應(yīng)用當(dāng)局部炎癥或損傷發(fā)生時，炎性細(xì)胞所釋放出的大量黏附分子和趨化因子能夠趨化MSCs循環(huán)到炎癥部位[8]。Wang等[7]在損傷的腦組織周圍發(fā)現(xiàn)大量被趨化的MSCs。依靠干細(xì)胞的趨化特性，MSCs常被作為靶向抗癌藥物載體運(yùn)用于腫瘤生物治療研究中[9]。除此之外，鑒于MSCs自我更新及多向分化能力，研究人員通常將MSCs移植到機(jī)體損傷、炎癥部位，研究其對炎癥損傷組織的修復(fù)效果。被定植于腸道受損部位的MSCs通過促進(jìn)損傷局部微循環(huán)重建等途徑，對炎癥性腸病腸道的炎癥損傷組織進(jìn)行修復(fù)[10]。移植于骨關(guān)節(jié)炎局部的MSCs能夠有效地參與被炎癥損傷的軟骨、肌肉、骨骼再生[11]。因此，MSCs在損傷和炎癥相關(guān)疾病的治療中表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

1.2炎性環(huán)境對MSCs應(yīng)用的影響盡管MSCs在損傷和炎癥相關(guān)疾病的治療中具有極大的應(yīng)用意義，但同時也面臨著炎癥對其本身的生物學(xué)功能影響提出的挑戰(zhàn)。課題組前期研究發(fā)現(xiàn),干細(xì)胞生存的微環(huán)境異常改變可誘發(fā)MSCs發(fā)生增殖異常、形態(tài)改變及遺傳穩(wěn)定性的變化[12]。近期研究發(fā)現(xiàn)，炎性環(huán)境可使骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)出現(xiàn)惡性轉(zhuǎn)化或分化為腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(tumor-associated fibroblasts，TAFs)等異常分化情況[13]。因此，深入了解炎性環(huán)境對MSCs生物學(xué)特性的影響，規(guī)避不良的風(fēng)險(xiǎn)因素，將有利于MSCs更安全有效地應(yīng)用于組織工程及再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2 炎性環(huán)境對MSCs自噬的影響

不管在生理狀態(tài)還是病理狀態(tài)下，細(xì)胞均有自噬的發(fā)生。眾多研究報(bào)道顯示，多種脅迫環(huán)境能夠誘導(dǎo)細(xì)胞自噬發(fā)生，而在炎性環(huán)境中，炎性因子是引起MSCs自噬變化的重要因素之一。炎癥會造成損傷細(xì)胞器及活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產(chǎn)生和堆積，并成為激活細(xì)胞自噬活性的重要條件[14]。實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎相關(guān)炎性因子對小鼠骨髓來源MSCs自噬有激活作用，并通過自噬促使MSCs生物學(xué)功能發(fā)生改變[15]。在炎性因子IFN-γ的干預(yù)下，人胎盤胎兒側(cè)來源 MSCs 胞內(nèi)自噬小體的形成明顯增多[16]。INF-γ可以通過IRF-1信號通路誘導(dǎo)自噬的發(fā)生，在此過程中，不但有與炎癥密切相關(guān)的JAK、STAT等關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄蛋白的激活，還有PI3K-mTOR自噬相關(guān)信號通路參與[17]。在IFN-γ和TNF-α模擬炎性環(huán)境聯(lián)合干預(yù)下，MSCs自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)明顯增強(qiáng)[18]。在炎性環(huán)境中，炎性因子可以通過對多條炎性信號通路的調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)對自噬的調(diào)控作用。TLR4/NF-κB通路能夠同時參與炎癥與自噬的調(diào)節(jié)[19]，而PI3K、Akt、ERK等炎性信號通路均是調(diào)控細(xì)胞自噬的關(guān)鍵通路[20]。由此可見，炎癥相關(guān)的炎性因子與MSCs自噬的發(fā)生關(guān)系密切，并在一定程度上可誘發(fā)其自噬作用增強(qiáng)。

但是，炎性環(huán)境對細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)是雙重性的：過度的炎性刺激將加速細(xì)胞的凋亡，而凋亡信號的激活會抑制自噬的發(fā)生[21]，見Fig 1。從炎癥組織提取的頜骨骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(jaw of bone marrow mesenchymal stem cells, JBMMSCs)相較于正常組織來源的JBMMSCs的自噬明顯較弱[22]。造成這一現(xiàn)象的原因可能與炎癥干預(yù)時間有關(guān)，同時與炎性環(huán)境中炎性因子的濃度也有一定相關(guān)性。當(dāng)促炎因子TNF-α 短時間作用于JBMMSCs時，其自噬水平升高；但當(dāng)用TNF-α持續(xù)干預(yù)時，細(xì)胞的自噬現(xiàn)象逐漸消失，凋亡更明顯[23]。

Fig 1 Double meaning of inflammation to autophagy

3 自噬對炎性環(huán)境中細(xì)胞旁分泌的影響

一方面，炎性環(huán)境可以誘導(dǎo)細(xì)胞自噬發(fā)生，通過對受損細(xì)胞器及蛋白的吞噬產(chǎn)生能量，提高細(xì)胞自身在特殊環(huán)境中的穩(wěn)定性；另一方面，自噬也可以通過對細(xì)胞旁分泌的改變來影響所處炎性環(huán)境中細(xì)胞因子組成，進(jìn)一步減少環(huán)境對細(xì)胞的刺激[7]。通過對小鼠小腸上皮細(xì)胞自噬的激活，在腸黏膜炎癥反應(yīng)減弱的同時，上皮細(xì)胞所分泌的促炎因子TNF-α、IL-6的降低也十分明顯[24]。提示細(xì)胞自噬不僅可以維持本身在炎性環(huán)境中的相對穩(wěn)態(tài)，還能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞炎性因子的分泌來發(fā)揮對炎癥的負(fù)向調(diào)控作用。自噬基因敲除后的小鼠出現(xiàn)自發(fā)性無菌性肺部炎癥，局部炎性小體與血清中炎性因子IL-18均異常增多[25]。當(dāng)細(xì)胞的自噬通道被阻斷時，免疫細(xì)胞對IL-6和IL-1β等促炎因子的分泌有所增加，促進(jìn)炎癥發(fā)生[26]。提示自噬在細(xì)胞炎性因子的分泌過程中起重要作用。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，自噬對炎性環(huán)境中細(xì)胞的旁分泌調(diào)節(jié)對炎癥相關(guān)疾病是有積極意義的。

4 炎性環(huán)境與MSCs自噬的相互調(diào)節(jié)機(jī)制

如前文所述，炎性環(huán)境能夠?qū)ψ允善鸬秸{(diào)節(jié)作用[20]，而細(xì)胞自噬也能夠通過細(xì)胞旁分泌對炎性環(huán)境進(jìn)行調(diào)控[26]，因此，自噬與炎性環(huán)境之間的相互作用形成了一種反饋調(diào)節(jié)的機(jī)制(Fig 2)。炎性環(huán)境具有誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的功能，這是細(xì)胞在處于這種特殊環(huán)境中的一種應(yīng)激反應(yīng)；當(dāng)自噬強(qiáng)度在炎癥的誘導(dǎo)因素下增強(qiáng)時，其能夠通過炎性信號通路的調(diào)節(jié)及細(xì)胞旁分泌的影響，使細(xì)胞所處的炎性環(huán)境發(fā)生改變[27]。近年來研究顯示，細(xì)胞可以通過Toll 樣受體(Toll-like receptor，TLR)病原相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)促進(jìn)炎性因子分泌，激活適應(yīng)性免疫應(yīng)答；在炎癥反應(yīng)被誘發(fā)的同時，TLR族信號分子可以激發(fā)細(xì)胞自噬，而細(xì)胞自噬對TLR信號和炎癥反應(yīng)有負(fù)向調(diào)控作用[14](Fig 3)。因此，細(xì)胞自噬的變化與炎癥疾病的發(fā)生有密切聯(lián)系。這種反饋-調(diào)節(jié)作用在自噬與炎性環(huán)境之間形成一個完整的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，為我們進(jìn)一步充分了解MSCs在炎性環(huán)境中的生理病理狀態(tài)，以及自噬在其中的關(guān)鍵作用打下基礎(chǔ)。

Fig 2 Regulatory effect between autophagy and inflammatory environment

Fig 3 Relationship between inflammation and autophagy in pathogen-associated molecular patterns

5 小結(jié)與展望

綜上所述，我們認(rèn)為，炎性環(huán)境對MSCs的自噬作用具有雙重性。一方面，炎癥因素誘導(dǎo)細(xì)胞自噬作用增強(qiáng)，使細(xì)胞維持相對穩(wěn)態(tài)[14]；另一方面，過度的炎性刺激會增加細(xì)胞凋亡，反而抑制自噬作用[23]。當(dāng)自噬被炎性因素激活時，其能夠通過旁分泌以及對TLR相關(guān)信號通路的調(diào)控，來影響外環(huán)境細(xì)胞因子的組成，從而達(dá)到對炎癥的負(fù)調(diào)控作用[27]。因此，炎性環(huán)境與自噬之間的相互作用形成了反饋-調(diào)節(jié)的模式。

適度的自噬是細(xì)胞應(yīng)對炎癥刺激的自我調(diào)節(jié)手段之一，不但能夠協(xié)助維持特殊環(huán)境中MSCs的相對穩(wěn)態(tài)，還能進(jìn)一步對細(xì)胞外環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)[27]。因此，全面、深入地了解自噬發(fā)生、發(fā)展的特點(diǎn)及其與炎性環(huán)境間的相互關(guān)系，對探索MSCs在炎性環(huán)境中的生理病理狀態(tài)、維持其生物形狀穩(wěn)定具有重要意義。如何合理利用MSCs的自噬作用，對其在炎性環(huán)境中的存活以及在臨床上的應(yīng)用至關(guān)重要，值得我們進(jìn)一步探討。通過自噬強(qiáng)度的調(diào)控，將是協(xié)助干細(xì)胞在臨床應(yīng)用中面對炎性環(huán)境更好發(fā)揮治療作用的重要途徑。鑒于自噬與干細(xì)胞間的關(guān)系，依靠炎癥相關(guān)的自噬信號通路轉(zhuǎn)錄因子作為藥物作用靶點(diǎn)，有效地調(diào)控特殊環(huán)境中干細(xì)胞生物學(xué)穩(wěn)定性將是我們未來藥物研究的新方向。

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