间充质干细胞与免疫的相互作用： 从基础研究到临床应用

编辑、整理： 暖手

源自：《生命科学》

以间充质干细胞 (mesenchymal stem cells, MSCs)调节炎症反应和参与组织修复再生特性为基础的细胞治疗的发现将炎症性疾病的干细胞疗法带入了新纪元。不同病理进程中，MSCs 与炎症相互作用调控免疫反应的机制各不相同，针对这一领域的研究如雨后春笋般涌现。尽管缺乏对MSCs体内功能的了解，但体外扩增MSCs的特性及潜在的临床应用价值仍是研究热点[1]。目前，大多数研究主要集中在体外扩增MSCs的分化潜能和免疫调节功能，但现今学界普遍认为 MSCs 相关治疗不仅仅提供了组织重构所需的细胞来源，更重要的是，通过调节炎症反应“赋能”其他细胞促进组织修复。尽管以MSCs为基础的细胞替代方式的确在某些特定疾病治疗中占重要作用，但是最近研究发现，MSCs的治疗作用主要归因于其在炎症环境调控下发挥的免疫调节功能[2]。至此，在炎症因子刺激下，MSCs产生大量免疫调节因子、细胞趋化因子和生长因子，调节组织免疫微环境和原位组织干细胞，促进组织修复[2]。

MSCs具有强大的免疫抑制作用，既可以抑制固有性免疫应答，也能影响适应性免疫应答[1,3]，但这种免疫调节功能并非先天具有，而需要炎症因子诱导[4]。然而，伴随疾病过程的炎症因子的种类和数量并不是恒定不变，而是呈高度动态变化，从而影响MSCs免疫调节功能的作用强度，这种MSCs免疫调节功能的可塑性是当前的研究热点。本文重点综述MSCs与免疫的相互作用及其在临床前研究和临床应用实践中的影响和调控机制。

干细胞和组织再生

大多数多细胞生物组织都具备一定程度的再生能力。哺乳动物组织中不仅具有诸如骨骼肌干细胞、精原干细胞等专能干细胞，同时也存在多能干细胞，如神经干细胞和造血干细胞等 [5]。20 世纪60年代，骨髓基质中发现了一种多能干细胞，异位移植后能够形成新的骨结构，被定义为成纤维细胞集落形成单位[6-7]，之后更名为间充质干细胞 (MSCs)[8]。尽管定义模糊，MSCs 的“干性”仍可由其三向 ( 脂肪细胞、成骨细胞和软骨细胞 ) 分化潜能体现。部分研究表明，MSCs还能转分化成内外胚层细胞[9-10]。人和小鼠MSCs的表型通过检测CD29、CD51、CD73、CD90 及CD105的表达，同时不表达CD31、CD45和造血系细胞的标记蛋白来鉴定[11-12]。尽管利用这些表面抗原体外鉴定MSCs的体系已非常成熟，但目前尚未发现体内特异性追踪MSCs的合适标记蛋白[7]。最近，有报道利用包括nestin、leptin受体、Gli1和成纤维细胞激活蛋白等在内的标志分子追踪研究体内特定MSCs亚群的功能，以及这些细胞体外培养后其特性和功能的生理学联系[13-17]。例如，邻近骨内膜nestin+细胞具有MSCs的特征及功能，其可在骨髓中形成新的集落，具备三向分化潜能，并参与维持造血干细胞龛功能[15]。尽管缺乏特异性标志物阻碍了对MSCs生理病理功能的认识，体外扩增MSCs的输注实验还是为我们认识和理解MSCs的迁移，在损伤组织定植提供了重要研究基础。

MSCs向损伤部位的募集是其参与调控组织修复所必需的。在多种动物模型 (心肌梗死、外伤性脑损伤、肝纤维化、化学性肺损伤及肿瘤模型等)中均发现，MSCs 经静脉输注后向损伤组织的迁移[18]。此外，利用示踪实验结合哮喘动物模型研究发现，定位于骨髓的nestin+MSCs可以在哮喘发生时转移至肺部[19]。到达受损组织后，MSCs主要通过细胞替换和细胞赋能方式发挥对疾病的治疗作用。许多研究致力于研究MSCs的分化潜能，以实现其原位替换受损细胞，促进各种器官组织(心脏、肾脏和肝脏) 的再生修复[20-23]。但是，在大多数MSCs临床应用实例中，MSCs在受损组织的植入效率并不高，并且定植细胞的存活时间较短，提示MSCs除了分化替代损伤细胞外，还利用了其他机制发挥治疗效果[24-25]。此外，MSCs对肝硬化、心肌梗死、肾衰和神经退行性疾病的治疗疗效与其定植或细胞替代水平也不相关[26-29]。仅用MSCs培养上清治疗炎症疾病也有较好的疗效[2,28-29]。除了自身MSCs，同种异体和异种来源的MSCs在免疫功能健全的机体中也能发挥组织损伤修复的作用，这也提示MSCs在损伤部位的定植替代对于疾病的有效治疗并非必需[24,30]。因此，MSCs的治疗效果主要通过分泌和表达一系列免疫抑制因子、细胞因子、生长因子等调控炎症和组织稳态，这些因子主要包括白细胞介素-6 (interleukin-6, IL-6)、转化生长因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)、前列腺素E2(prostaglandin E2, PGE2)、肝细胞生长因子、表皮生长因子、成纤维细胞生长因子、血小板衍生生长因子、血管内皮生长因子、胰岛素生长因子、基质细胞衍生生长因子-1、色氨酸代谢酶(indoleamine 2,3-dioxygenase, IDO)和一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS) 等[29,31-32]。这些因子共同作用抑制炎症反应，调节内皮细胞和成纤维细胞的活性和功能，促进组织原位前体细胞增殖分化，介导组织修复再生。

MSCs和炎症相互作用的重要性

自从研究发现骨髓MSCs对T细胞增殖的抑制作用[33-35]，科学家们发现MSCs可以广泛抑制多种免疫细胞的活化和功能，包括巨噬细胞、粒细胞、自然杀伤细胞、树突状细胞、T细胞和B细胞等[1,3,36-37]。MSCs不仅抑制T淋巴细胞增殖，同时能抑制初始T细胞向Th1和Th2细胞亚群分化，促进调节性T细胞(regulatory T cells, Treg) 的产生[38]。不仅如此，MSCs还可以通过影响树突状细胞，间接诱导 Treg[39]。此外，MSCs 可以促进促炎的I型巨噬细胞向抗炎症II型巨噬细胞转换，治疗败血症[40-41]，并可以下调IL-2或IL-15诱导的自然杀伤细胞活化[42-43]。这一系列强有力的免疫调节功能赋予MSCs治疗多种炎症相关疾病的可能，真正实现MSCs的高效临床应用。

MSCs的免疫调节作用与其分泌的各种因子密切相关，其中包括 TGF-β、NO、IDO、TSG-6、PGE2、IL-1 受体拮抗剂、IL-10 及趋化因子CCL2拮抗性变体[28,36,40,44-48]。MSCs免疫调控机制的多样性可能是由于其物种和组织来源及所处微环境的不同造成的。事实上，MSCs的免疫抑制功能的发挥依赖于干扰素-γ(interferon γ, IFN-γ) 和TNF、IL-1α 或IL-1β的刺激。阻断IFN-γR或利用IFN-γR−/−MSCs均不能有效发挥MSC的免疫抑制作用[4,49]。在上述炎症因子刺激下，MSCs表达高水平的IDO、iNOS及CXCR3和CCR5的配体[4,50]，其中趋化因子招募T细胞到达MSCs周围，借以表达的免疫抑制因子抑制T细胞功能[4]。至此，MSCs与炎症之间存在密切相互作用。深入理解MSCs与炎症的交互调控对于指导MSCs的合理临床应用和认识炎症疾病的病理机制具有重要意义。

除了炎症因子，其他因素也参与了MSCs免疫抑制功能的“授权”过程，例如，刺激 Toll 样受体(Toll-like receptor, TLR)——TLR3和TLR4可以激活MSCs的免疫抑制作用[37,51]。针对不同的炎症刺激，MSCs也会有不同的反应，并激活不同的信号通路以调节特定免疫反应。这些研究发现不仅有助于我们更好地理解MSCs与炎症微环境的相互调控，并且对发现或提高 MSCs 在不同疾病，特别是免疫紊乱性疾病中的应用潜能也具有重要指导意义。

MSCs免疫调节的可塑性

MSCs的免疫调节能力取决于其所处微环境中各种炎症介质的种类和浓度，不同的炎症状态极大地影响了MSCs对疾病的治疗作用，提示MSCs免疫调节的可塑性。研究发现，在强炎症状态下MSCs可以有效地治疗移植物抗宿主病(graftversus-host disease, GVHD)，但是若将MSCs在骨髓移植同一天输注，即炎症反应尚未开始时，治疗效果不显著[4,52]。此外，MSCs对于处于缓解期的实验性自身免疫性脑脊髓炎几乎没有疗效[48,53]。由此看来，MSCs的免疫调节能力的确具有很强的可塑性，与炎症状态密切相关。

在炎症性疾病的病理进程中，高水平的炎症因子浓度往往与疾病的急性期密切相关，而在疾病的慢性或缓解期，炎症因子呈现相对较低浓度，可能是机体的自我修复阶段。以“棋盘式梯度”浓度检测MSCs在不同炎症因子(IFN-γ和TNF-α)浓度下的免疫调节功能，发现炎症因子水平的动态变化可以影响MSCs的免疫调节功能，使其发挥免疫抑制或免疫促进作用，由此奠定了MSCs免疫调节可塑性的研究基础[54]。究其原因，主要是低水平的炎症因子不足以诱导MSCs表达高水平iNOS或IDO发挥免疫抑制作用，反而会在MSCs分泌大量趋化因子的作用下招募淋巴细胞至其周围，加剧炎症反应。

因此，NO和IDO是调控MSCs免疫调节功能的“开关”。在和低剂量刀豆蛋白A激活的T细胞共培养体系中，MSCs同样表现出类似的免疫增强功能[55]。此外，抗原致敏的 MSCs经低剂量IFN-γ刺激，可作为抗原提呈细胞激活细胞毒性CD8+ T细胞[56-57]。以上研究均提示高炎症水平刺激MSCs发挥免疫抑制功能，而低炎症环境水平刺激MSCs发挥免疫促进作用。虽然不同炎症环境中调控MSCs活性的机制网络尚未明确，但可塑性是对MSCs在不同环境下发挥不同免疫调控功能这一现象最合理的解释。

在炎症过程中，免疫系统的细胞因子、趋化因子及相关免疫细胞处于动态变化，不同免疫细胞发挥不同的功能。其中，效应性T细胞和调节性T细胞分别是促进炎症和对抗炎症反应的重要细胞。Th1和Th17属于具有促炎作用的效应性T细胞，产生的IFN-γ、TNF-α和IL-17在多种自身免疫性疾病和感染中主导病理过程[58]。在这些疾病的病理进程中，MSCs也被招募至炎症部位，参与调节炎症反应，协助组织修复或再生。炎症部位的细胞因子在赋予MSCs免疫抑制功能时是必不可少的[4]，其中IFN-γ与TNF-α的协同作用则尤为重要。此外，IL-17的存在则可以通过调节RNA结合蛋白AUF1提高MSCs中iNOS mRNA 的稳定性，显著促进MSCs的免疫抑制功能[59]。因此，炎症微环境中细胞因子的种类和浓度决定MSCs的免疫调节能力。

TGF-β等免疫抑制因子作为维持机体免疫平衡的重要因素也普遍存在于炎症微环境中[60]。TGF-β受体I和II表达在MSCs上，调控其分化和再生功能[61-62]。当TGF-β和IFN-γ、TNF-α共同刺激MSCs时，MSCs的免疫抑制功能明显下降，这与TGF-β通过信号转导因子Smad3下调iNOS或IDO的表达相关[63]。值得一提的是，MSCs本身即可产生大量的TGF-β，因此，TGF-β对MSCs免疫抑制作用的负向调控可以作为一种反馈性调节维持损伤部位的炎症状态，以及调节组织再生。除MSCs产生的TGF-β 外，往往与TGF-β具有相似免疫抑制作用的IL-10也可以阻断MSCs的免疫抑制功能[55,60]。由此看来，那些以免疫抑制作用著称的细胞因子通过作用于MSCs可以发挥免疫促进功能。

MSCs免疫调控功能受炎症环境中多种因素的影响，而免疫抑制剂常用于治疗免疫系统相关疾病，这引发了一个重要的科学问题：免疫抑制剂会影响MSCs的免疫调控功能吗？免疫抑制剂治疗作用与MSCs类似，都是通过抑制效应性T细胞下调炎症反应。基于此，许多研究将MSCs与常用免疫抑制剂环孢霉素A或地塞米松联合治疗。环孢霉素A可阻断T细胞活化，常用于治疗器官移植排斥或自身免疫性疾病。MSCs也可以在移植小鼠中诱导耐受，但合用环孢霉素A会逆转MSCs的治疗效果[64]。同样，地塞米松作为另一种广泛应用的免疫抑制剂，体内及体外实验均发现其能逆转MSCs的免疫抑制作用[65]，这与地塞米松分别阻断小鼠MSCs中iNOS表达和人MSCs中IDO的表达相关[65]。因此，与TGF-β相似，免疫抑制剂在炎症环境中也能使MSCs失去免疫抑制功能，这一发现对指导MSCs临床应用有重要意义。

MSCs广泛分布于几乎所有组织中，在炎症环境中具有强大的免疫抑制功能，那么为什么内源性的MSCs不能像外源输注的MSCs一样缓解免疫失衡呢？其中一种可能是，MSCs免疫调控功能是体外培养过程中获得的；另一个可能的解释是，一般体外培养MSCs的用量是每只小鼠1×10⁶ 到2×10⁶，人每千克1×10⁶到2×10⁶，这种高剂量注射，再加上MSCs向损伤部位聚集的特性，使体外注射的MSCs功能增强。目前，尽管MSCs特异性标志的缺乏限制了对内源性MSCs在体免疫调节作用的认识，但是，不论如何，充分阐明外源输注和内源性MSCs免疫调节作用的可塑性的调控机制对于实现MSCs合理应用和形成其临床应用的新模式具有重要意义。

MSCs免疫调控可塑性和临床应用

从2004年MSCs成功治疗9岁男孩严重类固醇和环孢霉素抵抗GVHD[66]以来，许多动物实验和临床研究都提示MSCs治疗器官衰竭性疾病的广阔应用前景[3,18]。目前，NIH注册登记的临床试验中有500多项与MSCs相关。许多研究证明MSCs可显著改善心血管疾病[67]、肝脏疾病[68]、GVHD[69]和自身免疫性疾病[70-71]。在治疗过程中，MSCs和炎症相互作用发挥着关键作用。因此，有人建议免疫调控能力应作为MSCs产品的标准之一[72]。不同疾病过程中，炎症组织的免疫微环境千变万化，从而对MSCs也有不同的影响，这在一定程度上决定了输注MSCs的命运和治疗效果[4,54,73]。

MSCs免疫调控的可塑性应作为其临床应用指导的重要依据，同时也可以通过修饰其免疫调控功能提高治疗效果。相关临床研究发现，MSCs对免疫抑制剂抵抗的急性炎症疾病最为有效[69-70]。MSCs临床应用的首次成功就是将异体同单倍型骨髓来源的MSCs输注至环孢霉素和类固醇抵抗的IV级急性GVHD患者体内[66]，其他如系统性红斑狼疮等药物抵抗性炎症疾病都有被MSCs成功治愈的例子[70,74]。在这种免疫抑制剂抵抗患者中，可能是持续炎症激发了MSCs的免疫抑制功能。相反，在免疫抑制剂敏感患者中，MSCs和环孢霉素或类固醇联合治疗反而没有治疗效果。这些研究都提示，MSCs的免疫抑制功能需要较强炎症因子诱导，而低浓度的炎症因子会使其发挥免疫促进作用。因此，MSCs临床疗效主要取决于其接触到的炎症因子水平。所以，输注前先用炎症因子预处理MSCs可作为强化MSCs免疫抑制能力的方式。在肠炎或急性心肌缺血损伤动物模型中，这种预处理确实提高了MSCs的治疗效果[75-76]。此外，IFN-γ 预处理的MSCs治疗可大大提高GVHD小鼠的存活率[77]。类似地，IFN-γ和TNF预处理的MSCs治疗刀豆蛋白A诱导的小鼠肝炎疗效远好于未经预处理的细胞，在预处理过程中加入IL-17还能进一步提高疗效[59]。这种预处理可能是模拟了疾病炎症环境，这一治疗策略的成功也说明炎症在激活MSCs免疫抑制功能中发挥的重要作用。虽然这些发现大部分都停留在临床前研究，但MSCs免疫调控可塑性内在机制的全面揭示将有助于开发更多基于MSCs的临床治疗新方案。

大量数据表明炎症状态决定MSCs的功能命运。由于MSCs免疫抑制功能的激活需要炎症达到一定水平，其治疗效果不一可能归咎于个体炎症水平存在的差异。此外，临床上应用的抗炎治疗可能会改变组织微环境中炎症因子谱，从而影响MSCs疗效。的确，研究发现MSCs与地塞米松联合治疗会导致MSCs不能有效治疗疾病，这与地塞米松阻断MSCs表达iNOS或IDO密切相关[65]。在肝纤维模型中，地塞米松可以逆转MSCs的免疫抑制作用，从而完全消除MSCs的治疗效果[65]。这些结果提示，MSCs治疗疾病时应尽量避免与免疫抑制剂同时使用。

虽然MSCs的病理生理功能尚未完全阐明，但是大量动物实验和临床研究均表明了MSCs作为一种全新策略在多种疾病治疗中的应用潜能。随着研究发现适当的炎症刺激在MSCs发挥免疫抑制作用中的重要性，系统解析MSCs免疫调控作用的机制和形成MSCs的优化策略对于其更为合理和有效的临床应用具有重要作用。此外，为了最优化MSCs相关治疗，开发切实可行的方法在输注MSCs时用以检测患者体内炎症状态，以及发现可预测MSCs疗效的生物标志物都是目前亟待解决的问题。

展望

近年来，大量研究以崭新的视角揭示了MSCs在炎症和组织修复过程中的作用。除了MSCs的分化潜能，它的免疫调节功能也赋予它在治疗免疫相关疾病中的应用潜能，并备受关注。虽然MSCs在损伤部位长期定植和其对疾病治疗效果之间的关系尚未明确，但是外源输注MSCs的确可以被招募至损伤部位，参与调控损伤微环境。MSCs的组织修复能力依赖于较强的炎症刺激，其不仅赋予MSCs免疫抑制功能，而且促进MSCs分泌大量生长因子。然而，炎症环境并不是恒定的，MSCs可因不同炎症水平或细胞因子种类以及免疫抑制剂等条件的动态变化发挥对免疫反应的差异性调控，由此可见，MSCs免疫调控功能可塑性对于指导MSCs在临床上的合理应用具有重要意义。针对特定炎症状态，利用MSCs免疫调控功能可塑性的特点制定个性化临床治疗策略，将全面优化MSCs相关临床方法，使其在不同疾病进展阶段达到对炎症反应的最适调控。

参考文献：（略）

本文源自：《生命科学》（Chinese Bulletin of Life Sciences) 

文章编号：1004-0374(2016)08-0933-08

DOI: 10.13376/j.cbls/2016126

作者：李　清，唐　笛，王　莹，时玉舫*

推荐阅读

转载请联系：Cell [e-mail]

投稿加微信：ssxkn520

---

欢迎喜欢我们的小伙伴向我们投稿与生物科技相关的原创内容。

如果您对商业合作感兴趣，欢迎与我们联系，感谢！！

长按扫描下方动态二维码订阅最新资讯↓↓↓

可点击下方↓↓↓  “阅读原文” 了解更多