干细胞分化与细胞转型在器官修复中的作用

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撰文│刘厚奇  

编辑│陈圆圆  

审校│汤红明

刘厚奇

生原干细胞科技有限公司董事长兼CEO，原海军军医大学转化医学中心主任。中国解剖学会副理事长、医学发育生物学分会主任委员、中国细胞学会干细胞分会理事。获得973、863国家重大项目、国家海外合作基金和上海市重点项目10余项，招收博士硕士研究生30余名。2009年起，开展人干细胞临床研究4个，特别是诱导人干细胞向神经细胞分化促进神经损伤再生修复和干预神经退行性疾病的临床研究处于世界领先水平。申报和获批国家发明专利10余项，获国家教育部科技进步二等奖1项。

人体胚胎发育过程中，干细胞在组织和器官形成及发育中起决定性作用。即使在成熟的组织器官中也存在着少量干细胞（曾谓之未分化细胞），帮助组织器官的重建和修复。因此对于人体发育和健康来说，干细胞不可或缺，受到广泛关注也是理所当然。

作为一类具有自我更新能力的多潜能细胞，干细胞在一定条件下可分化成多种功能细胞。根据干细胞的分化潜能分为三类:全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。在机体发育过程中，干细胞的分化与自身状态密切相关并受周围环境的控制。其分化潜能随着机体发育而受到限制，最终成为具有特殊形态和功能的细胞。研究干细胞在人体内的分化过程以及器官修复中的细胞转型机制，对干细胞治疗人类疾病而言意义重大。

一、干细胞分化

干细胞来自胚胎和成人，其分化研究包括体外分化研究和体内分化研究。

1. 体外分化研究  

当胚胎干细胞在滋养层细胞上生长成集落后，便可将干细胞移至别处悬浮培养。此时，部分干细胞开始分化，并与未分化的干细胞一起形成多细胞团即类胚体（embryoid bodies, EB），然而这种随意分化的细胞往往用处不大。成体干细胞分离较为困难，且分化能力参差不齐，但是现有技术已实现各类具有分化潜能的干细胞规模化培养。目前，人干细胞的分化研究主要集中在多能干细胞上，但往往分化的干细胞在进入人体内参与器官修复时整合能力很低，最多只能调节受损器官的生态环境。

2. 体内分化研究

人干细胞在体外可分化为祖细胞和成熟细胞，但还无法实现组织的发生和器官的形成。在正常人体胚胎发育过程中，组织和器官的形成除了干细胞的不断分化外，复杂的上皮-间充质细胞转型十分重要。体内的微环境是干细胞分化的实际条件，因此，体内干细胞分化较体外完全而准确，人们越来越倾向于把干细胞移入小鼠胚胎和成体中进行分化研究。

成体干细胞取自患者，分离和分化成相应所需细胞可直接用于患者疾病的治疗。因此，成体干细胞的分离纯化和增殖分化能力一直受到关注。人们发现造血干细胞纯化后静脉注射入小鼠可在肝脏分化为具有功能的肝细胞，说明干细胞所处微环境是其分化的重要因素。有研究证实成人内皮祖细胞可分化成具有收缩功能的心肌细胞，看来成体干细胞可根据机体的需要确定分化方向。因此，预防干细胞在体内形成肿瘤的同时，也应考虑保留干细胞一定的分化潜能，让其具有细胞转型能力参与组织的整合，以达到修复受损器官的目的。

二、细胞转型

从发育学的角度说，机体胚胎发育过程中，三胚层的发生和分化最为关键和复杂。在这些早期胚胎发育活动中，上皮样细胞与间充质样细胞的转型是胚体形成过程中组织形态发生和器官重建不可缺少的生理活动，是胚胎早期发育最重要的事件之一。

1. 细胞转型的机制 

从组织结构上看，上皮细胞（MET）具有极性强、细胞排列整齐、细胞间黏附紧密等特征。这些特征主要取决于细胞骨架蛋白和细胞膜黏附分子的功能。当上述分子发生变化时，如E-钙粘蛋白下降、N-钙粘蛋白上升、b-连环蛋白增加，细胞间的连接便变弱，细胞呈散在、弥漫状态生长，细胞极性消失，即转变为间充质细胞（EMT），反之则由EMT转变为MET。

细胞增长信号过度表达也会促进MET的转型。如Raf/MAPK增殖信号通路持续发挥作用会引起Ras介导的Rac活性下调以及Rho活性上调，从而促进MET向EMT转型。经过体内信号分子的调节，发育过程中的MET在增殖时转变为间充质样细胞，在发育成熟和建立功能时又转变为MET。

2. 细胞转型与器官发育及其修复

（1）肾脏  人胚第5周时，中肾管尾侧出现输尿管芽并深入后肾组织形成肾组织原基。在肾发生中，输尿管芽的延伸和分支是机体建立肾单位的关键环节，对于肾功能形成至关重要。然而，输尿管芽的延伸和分支是输尿管芽诱导周围后肾组织发生MET的结果。Barasch 等1999年发现大鼠胚胎输尿管芽细胞分泌一种细胞因子——白血病抑制因子（LIF），可使后肾EMT转变为上皮样细胞，进而促进肾单位的形成。研究表明，后肾EMT存在LIF受体，输尿管芽细胞分泌的LIF与LIF受体结合后，表达Pax2和Wnt4等转录因子，并逐渐转型为肾上皮，最终在EMT中产生肾单位。

肾是研究器官发生和细胞转型关系的最佳模型。在肾发育过程中发生的EMT向MET转型受到众多细胞内转录因子如Wnt1、Pax2、Eya1、Sall1和Foxc1 等的调控，以及膜受体如Ret 受体的影响。所以早期肾组织的发育是在众多基因调控下的EMT不断向MET转型的过程，研究这种细胞转型的特征和分子变化对人们理解肾脏发育的机理很有帮助。

（2）肝脏  人胚第3周开始，在前肠末端腹侧形成肝憩室，并在憩室内衬有一层单层柱状上皮，随后此MET迅速增殖并形成肝索。人们发现，肝索的形成和延伸，首先由MET转变为EMT，并有EMT标志物 (vimentin、osteopontin、collagen I、 a-smooth muscle actin、calponin、thrombospondin-1、EDa fibronectin、Stro-1 antigens、MEF2C)的表达，此后MET标志物（a-fetoprotein、cytokeratins 8、cytokeratins 18、albumin、 E-cadherin、HNF3a）也逐渐出现，并重新转变为MET（肝细胞）。其中，TGF-b在启动肝索的MET向EMT转型发挥着重要作用，并通过Smad信号途径激活Snail、下调E-cadherin的表达来实现。有趣的是，这些细胞转型在胚肝环境中具有变为造血细胞的能力，体现出肝脏的造血功能，而在妊娠晚期和出生后的肝脏中，这种细胞转型不再发生，造血功能也就消失。

（3）肺脏  人胚第5周开始，左右肺芽的主干出现左右支气管分支并逐渐形成支气管树。支气管树上皮的发育依赖于间充质的出现，EMT帮助肺MET增殖。有人将胚肺周围的间充质移植到支气管附近，发现其能够促进支气管上皮增生和新的支气管分支形成。这些研究表明，胚肺发育需要EMT不断地向肺MET转型，直至支气管树构建完整为止。

BMP-4在支气管末端肺上皮中表达并分泌到周围间充质，在肺器官形成中起着重要作用。BMP-4的信号阻断将造成肺上皮的空间排列紊乱，肺器官形成出现困难。其中，FGF-1、2、7、9可诱导BMP-4的分泌，而FGF来自肺间充质并对MET有趋化效应。因此，间充质对肺上皮的诱导并完成EMT向MET的转型是通过细胞间分子信息传递来实现的。

（4）皮肤  在表皮创伤后的修复中，表皮干细胞重新体现胚胎时期的MET过程，如细胞间黏附下降，细胞迁移加快。转录因子Slug控制胚胎期的MET和成体MET间桥粒数量，在创伤修复中的表皮干细胞中Slug明显增加，创口周围的表皮干细胞特别明显，说明此时的表皮干细胞增殖、迁移活跃，为接着的MET做准备。同时证明了Slug在创面的表皮再生中十分重要，表皮干细胞继续向MET转型也是不可缺少的环节。

从器官发育中细胞转型的不断发生，人们意识到外源干细胞进入器官内，参与组织修复，除了改善受损组织的微环境外，这些细胞还要通过细胞转型，也就是干细胞在组织内的分化过程，在组织中替代受损细胞成为功能细胞。因此，为了解决干细胞移植在靶向组织内存活率低的技术瓶颈，必须了解干细胞在体内发生细胞转型的机制和条件，以及促进外源干细胞在靶器官分化成熟的技术方法，提高干细胞移植的治疗效果，为人类健康服务。

（本文来源于《医学参考报》干细胞与再生医学频道2019-01期第3版原创文章，ID: yxckbsc2019010301）

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