间充质干细胞和血管生成
血管生产概述
血管生成（angiogenesis）在生长发育和损伤修复、实体肿瘤的生长等过程中是一个很常见和很重要的生理性或病理性行为；通过多种细胞分子广泛的相互作用来精密调节，这些细胞分子包括基质金属蛋白酶、生长因子、趋化因子、黏附分子、各种酶、血管生产抑制子等[1-3]。微环境中的血管生成的刺激因子和抑制因子的平衡，严密控制着血管形成的速度[4]。促血管新生的因子有FGF-2、SDF-1、PLGE和EGF。VEGF是研究最广泛的促血管新生的蛋白因子之一，被认为促血管生成效能最强的调节子[3, 5]。然而，最近的研究显示VEGF有不同的异构体（选择性剪切），这些异构体可能有抗血管生成和抗肿瘤特性[6, 7]。内源性的血管新生抑制因子有糖蛋白G（凝血酶致敏蛋白，thrombospondin）、内皮抑素（endostatin）、血管增生抑制素（angiostatin）、血管生成素2（angiopoietin-2）[3, 5]。
小毛细血管管道由内皮细胞组成，周细胞附在内皮细胞旁边，周边被基底膜和细胞外基质包裹着[8]。成年的血管和内皮细胞处于一个静止的状态，很少激活形成新的分支。基底膜和周细胞阻止内皮细胞离开原本的位置，起到稳定血管结构的作用。低氧和炎症环境这些特异性的刺激能启动血管新生的程序[9]。首先是周细胞的离开和基质基底膜的降解，导致小血管的结构不稳定，增加血管的渗透性。另外，细胞外基质（ECM）的降解也导致一些促血管生成因子和趋化因子的释放，比如VEGF、FGF-2、SDF-1[10]。这些因子结合内皮细胞的受体，激活内皮细胞进入“tip”和“stalk”状态，这种状态下，内皮细胞经VEGF/Notch信号通路调控下有不同的形态和功能特性[5, 11]。如果没有周细胞的黏附，有功能的新生血管将变得不稳定，而且能快速消失[12]。
缺血性疾病难于完全恢复的主要原因也是血管生成的不完全刺激（刺激强度不够），比如动脉粥样硬化、中风、心梗、慢性损伤[3, 13]。组织移植失败的关键因素之一是缺少合适的血管生成，血供不足，从而导致移植的细胞出现坏死[14]。间充质干细胞（MSC）的出现，给这些供血不足的疾病带来了希望。
MSC分泌丰富的多种促血管生成的因子
但是来源不同的MSC，其分泌细胞因子谱略有差异。BM-MSC的分泌物中含有丰富VEGF、FGF-2、Ang-1、MCP-1、IL-6、PLGF[15-18]。然而脂肪来源的MSC分泌大量的VEGF、HGF、TGF-β[19]。胎盘来源的MSC能分泌IL-6[20]。也有研究发现骨髓来源的MSC能分泌IL-6样细胞因子，激活JAK/STAT信号通路，促进损伤的心肌组织中VEGF和HGF的含量[21]。质谱分析发现BM-MSC能合成血管新生诱导剂Cyr61蛋白；Cyr61抗体能抑制BM-MSC诱导的内皮细胞形成血管状结构，这提示Cyr61蛋白参与MSC介导的血管生成[22]。
低氧环境、TNF-α和LPS能通过转录子NF-κB促进MSC的VEGF、HGF、FGF-2、IGF-1的分泌[23]。低氧通过上调转录子HIF-1α而增加VEGF的表达，但不影响FGF-2的表达[24]，也不影响HGF和TGF-β的表达[19]。TGF-α明显提高BM-MSC分泌各种生长因子，比如VEGF、HGF、IL-6、IL-8、PDGF-BB和Ang-2；而且MEK/MAPK和PI3K/AKT信号通路都参与了这些生长因子的分泌[25]。
MSC对内皮细胞的影响
脂肪和骨髓MSC已经显示出促进内皮细胞的增殖[19, 26, 27]，然而牙髓MSC却没有显示出这个效果[28]，但也有实验发现骨髓MSC的培养上清不能促进内皮细胞增殖[29, 30]。这些结果的差异可能在于内皮细胞的分离方法、种属和部位来源[31]。
不同来源的MSC均能诱导内皮细胞的迁移，包括脐带[32]、羊膜[33]、脂肪[34]、牙髓[28]和骨髓[23, 27, 35]。BM-MSC及其培养上清均能体外诱导胶质中的内皮细胞形成管状结构[18, 19, 23, 36, 37]。MSC不仅能促进内皮细胞形成管状结构，而且能稳定这种新生的血管并促进成熟，这种作用依赖于MSC和内皮细胞的直接相互接触[27]，MSC发挥着类似周细胞的角色[37, 38]。
MSC治疗缺血性病变
MSC通过释放血管生成素和VEGF，增加损伤区的血管形成，改善血供，促进糖尿病小鼠损伤后的修复[17, 39]。BM-MSC肌肉注射治疗下肢缺陷的动物模型，增加缺陷的下肢的血液贯通、增加血管密度、阻断肌肉萎缩，显著提高了下肢的功能；没观察到MSC整合到血管结构中[17]，推测MSC通过旁分泌VEGF和FGF-2来发挥治疗作用[26]。一个II期临床试验显示输入自体骨髓细胞（混合细胞，包括一部分的造血干细胞和间充质干细胞）改善下肢缺陷的血液灌注，减低严重的下肢缺血的截肢率[40]。
MSC治疗心肌梗塞的机理在于MSC趋化到损伤部位，通过促进心脏干细胞的增殖、迁移和分化来修复损伤的心肌[41]。不同来源的MSC均显示出良好的治疗心肌梗塞的效果，但是起作用的细胞因子略有不同，比如脂肪MSC主要通过分泌HGF和VEGF[42]，而羊膜MSC主要通过分泌VEGF和Ang-1[33]。骨髓MSC治疗心肌梗塞，改善心功能的效果优于骨髓单个核细胞治疗[43]。目前认为MSC治疗心肌梗塞的机制不在于迁移到损伤心肌部位的MSC分化为心肌细胞，而是通过分泌细胞因子发挥作用[43-45]；而且最近的研究显示人脐带MSC的外泌体能治疗急性心肌缺血损伤[46]。MSC治疗心肌梗塞的临床疗效及机制探讨，详见本公众号《间充质干细胞治疗心肌梗塞临床文献分析》一文。
虽然早期认为MSC促进中风的恢复是通过分化为神经元细胞和角质细胞，现在更多的证据提示MSC治疗中风是通过抑制损伤细胞的凋亡、保护神经细胞、促进内源性神经形成和血管生成[47, 48]，而且MSC分泌的促血管新生的细胞因子起到关键的作用[49, 50]。一个涉及12例中风病人的非盲临床试验发现BM-MSC治疗中风一周后，缺陷区的面积缩小20%[51]。脂肪来源的MSC在减少细胞死亡、神经形成和血管新生相关的细胞因子的分泌（例如VEGF）、促进中风后的功能恢复等方面优于骨髓来源的MSC[52]。甚至给中风模型的大鼠腹腔注射MSC的提取物也能显著地减少缺陷区域面积和改善运动功能[53]。
MSC和肿瘤的争议
MSC能促进血管新生，而肿瘤细胞的生长需要血管生成，因此MSC能否促进肿瘤的生长，在理论探讨上充满着巨大争议，而且不同的动物实验有截然相反的结果。具体的阐述可参见本公众号的两篇文章《肿瘤患者能不能使用间充质干细胞》和《MSC减少肿瘤患者放化疗的毒副作用》。MSC参与了血管新生的所有环节，包括早期阶段内皮细胞的增殖和晚期阶段血管的成熟。如果能针对性地开发靶向药物，阻断MSC参与的血管生成的某以环节，联合抗血管生成药物，很可能有利于提高实体肿瘤的治疗。
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