干细胞的治疗作用机制

干细胞种类繁多，临床应用最多的是造血干细胞和间充质干细胞，又以间充质干细胞临床应用最为广泛。以下主要介绍这两种干细胞的治疗作用机制。

归巢、定向分化与多向分化

夕阳西下，凤凰飞落到梧桐树上，因为那里有凤凰的巢穴，这叫“归巢”。人们很早就发现淋巴细胞有归巢现象，近年来发现干细胞也有归巢现象。移植到体内的干细胞，需要迁徙到工作的场所——靶组织器官。造血干细胞归巢到造血组织，才能通过增殖分化产生红细胞、白细胞、血小板等后代。间充质干细胞归巢到损伤的组织器官，在该组织器官特定微环境诱导下，通过分裂增殖，定向分化发育为损伤的组织细胞，进而对损伤的组织器官进行修复重建。

尽管移植的是同一种间充质干细胞，但归巢到哪种损伤的组织器官，就会诱导分化为与该损伤组织器官细胞种类相同的细胞，这是定向分化，也是多向分化。定向分化是从纵向角度看，一种间充质干细胞可诱导分化为一种组织类型的细胞；多向分化是从横向角度看，一种间充质干细胞能诱导分化为多种组织类型的细胞。

干细胞归巢是怎样发生的呢？

原来组织器官损伤后，会释放多种生物活性因子，引导移植到患者体内的外源间充质干细胞向损伤部位迁移。在这个过程中，受损组织器官产生的生物活性因子——配体，可与间充质干细胞表面的受体结合，从而启动间充质干细胞从血管进入组织，并向损伤的组织器官迁移和植入。

在一些全身性损伤（如放射伤、系统性红斑狼疮和创伤性多器官功能不全）和局部创伤（如颅脑损伤、脊柱损伤和皮肤损伤）等涉及组织细胞变性、坏死、缺失的疾病治疗中发现，无论是通过浅表静脉输入、血管介入、腔隙注射还是定位移植脐带间充质干细胞，均可见到有部分细胞迁移、归巢到损伤组织中。定植于损伤组织中的脐带间充质干细胞，可在组织微环境诱导下分化为相应组织类型的功能细胞，并整合到组织中。然而，在没有组织损伤的健康对照动物体内，几乎未见有干细胞分布，说明植入损伤组织的脐带间充质干细胞参与了损伤组织的结构重建。

由于存在归巢效率问题，若想在短期内达到较好的组织器官修复或再生效果，必须植入一定数量的干细胞。由于细胞在机体内会有一定数量的凋亡和死亡，若植入干细胞过少，可能达不到预期治疗效果。

内分泌、旁分泌和远程分泌

过去认为，间充质干细胞的治疗作用，是由于其归巢并定向诱导分化为受损组织器官的结构细胞，代替受损部位功能障碍的结构细胞，发挥正常生理功能。然而，随着科学研究的深入，发现移植后的间充质干细胞，大部分停留在肝、脾和肺等器官，到达损伤部位的数量还不到1%，并且，到达靶组织器官的间充质干细胞大部分几天后消失，只有少量的干细胞长期停留在损伤部位。有研究者用基因命运图谱技术显示，再生的细胞来自实验动物中存活的固有细胞，而不是移植的外源干细胞。

这些信息提示，间充质干细胞对损伤组织器官结构的修复作用，可能不是由于其多向分化能力。间充质干细胞的条件培养基能模拟间充质干细胞修复组织的功能表明，间充质干细胞可能是通过自分泌和/或旁分泌方式分泌细胞因子，促进损伤组织器官的修复和再生。所谓自分泌，是分泌到细胞外的细胞因子，在组织液中扩散后，又反过来作用于分泌细胞自身，调控分泌细胞的增殖、分化、迁徙等生命活动行为。旁分泌，是分泌到细胞外的细胞因子，通过组织液扩散后，作用于邻近的靶细胞，调控靶细胞的生命活动行为。远程分泌，是分泌到细胞外的细胞因子，通过体液运输作用于远处的靶细胞，调控靶细胞的生命活动行为。

间充质干细胞通过自分泌、旁分泌和远程分泌可产生数百种细胞因子，包括①生长因子类：干细胞生长因子（stem cell growth factor，SCGF）、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）、肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、转化生长因子β1（transforming growth factor-β1）等。②集落刺激因子类：粒-巨噬细胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF）、粒细胞集落刺激因子（granulocyte colony-stimulating factor，G-CSF）、巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）等。③趋化因子：中性粒细胞趋化因子1（cytokine-induced neutrophil chemoattractant-1，CINC-1）、单核细胞趋化蛋白1（monocyte chemotactic protein-1，MCP-1）等。④白介素类：白介素-6（interleukin-6，IL-6）、白介素-8（interleukin-8，IL-8）等。⑤干扰素类：γ干扰素（interferon-γ，FIN-γ）、α干扰素（interferon-α，TNF-α）、β干扰素（interferon-β，TNF-β）等。⑥神经营养因子类：脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）、胶质细胞源性神经营养因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）等。⑦酶类：组织基质金属蛋白酶抑制剂1（tissue inhibitor of metalloproteinase-1，TIMP-1）、纤溶酶、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）等。细胞因子的特点为含量甚微，但作用巨大。这些细胞因子参与细胞的生长、增殖、分化等功能活动，可促进受损组织器官中残留细胞的分裂增殖以及血管生成、神经生成等功能活动，发挥治疗作用。

间充质干细胞还能向细胞外分泌和释放外泌体，这种亚细胞结构含有种类繁多的蛋白质、核糖核酸、脂质等活性成分，可进行细胞间信号传递、调节细胞功能等。许多活细胞都能产生外泌体，但间充质干细胞产生外泌体的能力最强。间充质干细胞产生的外泌体的悬浮密度为1.10～1.18g/ml，膜表面富含胆固醇、鞘磷脂和神经酰胺脂筏脂质及信号蛋白。在外泌体中发现的数百种蛋白质中，与治疗作用相关的可能包括表面受体（PDGFRB、EGFR、PLAUR）、信号分子（RRAS/NRAS、MAPK1、GNA13/GNA12、CDC42和 VAV2）、黏附分子（FN1、EZR、IQGAP1、CD47）、整合素（LGALS1/LGALS3）、多种细胞因子和间充质干细胞相关表面抗原。

通过分泌这些种类繁多的生物活性因子，间充质干细胞参与修复组织器官结构损伤和功能障碍，恢复其正常生理功能。

调节炎症反应及免疫反应

间充质干细胞具有强大的调节炎症反应和免疫反应的功能。在体外培养体系中，间充质干细胞与外周血单个核细胞接触或非接触培养，均能明显抑制刺激后的T淋巴细胞、B淋巴细胞增殖和γ干扰素、白介素-2等细胞因子释放，还发现前列腺素E2是间充质干细胞发挥免疫调节作用的重要介导因子。炎症细胞因子γ干扰素、白介素-1等能显著上调间充质干细胞分泌前列腺素E2。间充质干细胞还能抑制具有抗原提呈功能的树突状细胞成熟和自然杀伤细胞活性。

在抗炎症反应方面，给创伤性、感染性、中毒性、急慢性炎症反应的患者输入间充质干细胞，可发生炎症反应症状减轻或消失、组织内炎性细胞减少、移植组织细胞凋亡等现象。

由于免疫原性低，间充质干细胞对固有免疫和适应性免疫的多种效应细胞都具有显著的免疫调节作用。这种免疫调节作用并不是天然固有的，在很大程度上取决于所处微环境中炎症介质的种类、浓度等因素。

间充质干细胞通常表现出来的免疫抑制作用，需要炎症微环境中大量促炎因子的诱导，当不同种类、浓度的炎症介质诱导间充质干细胞时，会表现出截然相反的免疫调节作用，既可以促进也可以抑制免疫应答反应，表现出免疫调节的可塑性或双向调节性。间充质干细胞就像免疫环境的一个调和剂：当炎症反应加强时，它会抑制免疫反应；当炎症反应减弱时，它又会促进免疫反应。

间充质干细胞调节免疫反应和炎症反应的作用机制非常复杂，迄今仍没有完全搞清楚，可能的调节机制包括细胞与细胞之间的直接接触、通过旁分泌功能和分泌微囊泡等对免疫细胞进行调节，激活细胞内多条信号通路。这些因素可能协同作用，形成一个综合调控网络，对免疫系统进行精细调节。

通过对免疫反应、炎症反应的调节，间充质干细胞可以治疗一些自身免疫性疾病和各种炎症性疾病，譬如器官移植后的免疫排斥反应、造血干细胞移植后的移植物抗宿主病（graft versus-host disease，GVHD）、系统性红斑狼疮、糖尿病、关节炎、类风湿关节炎、创伤性系统性炎症反应、感染性脓毒血症、急性过敏、特发性紫癜等，都具有较好的治疗效果。

抗氧化应激

多种内在与外在因素通过氧化应激、DNA损伤、端粒及端粒酶调控系统、衰老相关ARF/p53及p16INK4a/RB信号通路激活等途径调控了间充质干细胞的衰老，导致一些衰老性疾病的发生。通过植入患者体内活力正常的间充质干细胞，可以重建或恢复患病组织器官里衰老的间充质干细胞，进行疾病治疗。

这些外源性间充质干细胞可通过分泌超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶等抗氧化剂及其他途径，缓解了因氧化应激造成的各种损伤。在给亚健康人群输入间充质干细胞后，发现精神状态变好、睡眠改善、食欲增加、体能增强等现象，其机制除了间充质干细胞分泌的各种细胞因子发挥作用外，还可能与提升抗氧化应激能力和调控某些基因表达有关。

血管再生

间充质干细胞是一群异质细胞，其中表达某些抗原标志的亚群细胞可分化为内皮细胞，这些细胞进入损伤部位后具有血管再生作用。同时，间充质干细胞本身能够分泌血管内皮生长因子（VEGF），可有效地促进血管再生，改善血液循环。

其他作用

包括趋化、造血支持、促进外源干细胞植入、激活内源干细胞增殖分化、抗凋亡、抗瘢痕等作用和功能。间充质干细胞移植后，可通过分泌多种细胞因子（GM-CSF、G-CSF、SDF-l、VEGF 等），促进造血干细胞增殖分化，从而增强造血功能；可通过分泌多种细胞因子，促进外源干细胞植入患者体内，增殖分化为功能细胞；可通过趋化作用，迁移到损伤部位进行修复；可通过抗凋亡作用，阻止损伤的组织器官细胞死亡；可通过抗瘢痕作用，使愈合后的伤口表面相对平滑；可通过分泌干细胞生长因子（SCGF），激活受损组织器官中的内源性干细胞增殖分化，替代受损伤的细胞，从而参与损伤修复。

间充质干细胞发挥治疗作用可能是以上多种因素综合作用的结果。通过多种因素协调作用，从结构和功能上修复或替代受损的组织器官，使其发挥正常的生理功能，达到治疗目的。

基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1） HEP2XZfESm/ockO0vAHRNHl0ESKZqHPZCS1RsCyR1atOWBsGgPNuONYutzUEceOH