干细胞修复肾脏的旁分泌/内分泌机制*

谢晓强 吕碧锋 章振保 孔德领 李宗金 徐 勇

干细胞在肾损伤之后的修复中发挥着重要作用[1]。肾脏损伤的动物模型表明，坏死细胞的更替依赖于残存的已分化细胞再次进入细胞周期[2-3]，或依赖于骨髓来源的[4-5]或肾脏器官特异性干/祖细胞[6-7]的修复作用。只有很少的骨髓细胞归巢到肾脏并替换受损的上皮细胞，因此，旁分泌或内分泌可能对肾脏修复有更大的帮助[8-9]。本文主要对干细胞修复肾脏的旁分泌/内分泌机制综述如下。

1 干细胞与肾脏修复

骨髓来源的干细胞可以修复多种组织器官。Poulsom等[4]通过小鼠的全骨髓移植模型，证实了骨髓来源的干细胞可以在肾小管上皮再生中发挥作用。Fang等[5]研究显示，造血干细胞（HSCs）而不是间充质干细胞（MSCs）参与了急性肾损伤（AKI）的修复。目前，骨髓来源的干细胞具有在损伤后分化为肾小管上皮细胞的能力已成为业界共识。研究表明，肾小管固有的细胞，如残存的已分化细胞，在损伤后替换肾小管细胞的过程中发挥主要作用[3]。

体外扩增的干细胞注入体内后，在顺铂、甘油和缺血再灌注诱发的急性肾小管损伤中，间充质干细胞可以保护肾脏并促进其修复[10]。最近的研究显示，间充质干细胞还可以改善慢性肾衰竭患者的肾功能[11]。最初人们认为，间充质干细胞可能移入肾脏并替换了受损的上皮细胞[12]。把间充质干细胞直接注射到正在发育的肾脏内，然后进行胚胎和器官培养，结果表明间充质干细胞确实具有转分化的潜能[13]。但有文献研究认为，在肾脏急性损伤后，肾小管细胞发生显著增殖，在损伤后肾小管中只能检测到极其少量的间充质干细胞，提示被短暂地募集到受损肾脏内的间充质干细胞可能发挥营养的作用[14]。间充质干细胞在Ty-1肾小球肾炎模型中参与了肾小球的修复[15-16]，在奥尔波特综合征模型中参与了肾小球通透性屏障的修复[17]。最近研究发现间充质干细胞在小鼠的败血症模型中，通过释放前列腺素E2来重新编码巨噬细胞，从而减少病死率并改善肾功能[18]。

以上研究表明，肾功能和形态的恢复伴随着间充质干细胞被暂时募集到肾脉管系统中并且很少量地整合到再生的肾小管中。对这个现象的可能解释是：间充质干细胞可能是通过旁分泌或内分泌的作用来修复肾脏的，这种修复机制主要依靠损伤后残存的固有上皮细胞来实现。组织修复的旁分泌或内分泌机制的最有力的证据来自于这样的实验：把来自于间质干细胞的条件培养基注入体内，可以模拟干细胞治疗的效果。Bi等[19]研究表明间质干细胞条件培养基含有一些因子，这些因子可以限制肾小管细胞的凋亡并促进其增殖，还可以保护肾脏的中毒性损伤。旁分泌或内分泌因子可以通过成熟细胞的去分化或激活肾脏干/祖细胞的方式来介导内源性的再生作用。除了可溶性的因子，干细胞来源的条件培养基还含有微泡，这些微泡是细胞之间通讯的新机制[20]。

2 微泡介导的遗传信息转移作用

干细胞的表型在细胞周期的的运转中可以发生可逆的变化，直到在周期敏感点受到终末分化信号的刺激为止。细胞周期的状态和暴露于临近细胞产物的微环境，可能对干细胞的可塑性发挥关键作用[21]。干细胞可能在不同的功能状态中表现出不同的表型，这取决于细胞周期的不同阶段。微环境特别是微泡介导的细胞之间的遗传信息的转移，可以调控这个动态的环境[22]。Quesenberry等[22]把干细胞这一概念视为一个交互式的维恩图，连续变化的干细胞与连续变化的环境相互作用，双方均受微泡介导的遗传信息转移机制调控。

3 微泡在细胞通讯中的作用

新的研究认为从细胞上脱落的微泡并不是人工现象[23]，而是可以在体内自然发生的现象[24]。微泡来源于细胞内的膜区室，与细胞膜融合后从细胞表面被释放。激动剂和物理或化学因素活化细胞后，触发了微泡的释放。目前，研究认为微泡可能通过特异性的受体配体结合与细胞相互作用[25-26]。微泡被内吞到靶细胞后，可能向细胞转移表面受体、蛋白和生物活性脂类[27]。此外，微泡作为细胞之间遗传信息交换的媒介，传递特定的mRNA和microRNA[28]。内皮祖细胞（EPCs）产生的微泡被内吞到正常内皮细胞后，可以通过mRNA水平转移的方式来激活血管生成[29]。EPCs产生的微泡可以转移一些特定的mRNA，如与PI3K/AKT和eNOS信号通路相关的mRNA，进而被翻译成为控制血管生成的蛋白。研究发现，携带绿色荧光蛋白（GFP）mRNA的微泡，可以把绿色荧光蛋白转移到内皮靶细胞，这是mRNA转移的有力证据[29]。最近研究发现胚胎干细胞（ESCs）来源的微泡不仅能向靶细胞转移mRNA，还可以转移microRNA[30]。胚胎干细胞是微泡的充足来源，其参与了干细胞的自我更新和增殖。Ratajczak等[28]证实胚胎干细胞释放的微泡通过传递mRNA和蛋白的方式，来重新编码造血祖细胞。干细胞可能不仅在微环境释放生物活性的微泡，也可能在骨髓动员之后的血液中释放[31]。因此，微泡可能通过转移特定的蛋白、mRNA和microRNA的方式，成为干细胞和已分化细胞信号通路的重要的旁分泌/内分泌介导因子。

4 受损组织来源的微泡及其作用

骨髓细胞在移植到受损组织后可以产生非髓细胞，但是它们对于肾是否有修复的作用尚存争议。另外，一些研究发现肾脏内存在的一小群固有干细胞也可能有助于肾修复[32]。

有关干细胞与受损细胞相互作用后发生改变的机制亦存在争议，目前尚未证实转分化是干细胞可塑性的一个机制。但针对不同性别的骨髓移植实验认为，融合可能是干细胞可塑性的一个机制[21]。Aliotta等[33]研究表明，干细胞的分化与细胞表观遗传学的改变有关，这种改变是由受损细胞发出的信号介导的，这些特异性的信号可能是通过微泡介导的遗传信息转移来实现传递的。Dooner等[34]研究显示，从受损的肺细胞中分离的骨髓细胞可表达一些肺特异性蛋白的基因，如细支气管细胞特异蛋白，表面活化剂B和表面活化剂C；受损细胞释放到上清中的微泡，可以诱导骨髓细胞表达肺特异性基因。研究发现受损肺细胞来源的微泡含有高水平的肺特异性mRNA，并且可以向骨髓细胞传递这些mRNA[21]。最近有报道表明，来自肾小管上皮细胞的条件培养基可以诱发人间充质干细胞的分化[35]。这些结果表明，来自受损组织的微泡可能在组织生理学修复过程中介导骨髓或固有的干细胞的表型的变化。

5 干细胞来源的微泡及其作用

很多关于急性损伤后肾小管再生的研究表明，肾小管细胞在这一过程中发挥显著作用[2-3]。外源的干细胞可以发挥有益的作用，这个作用与旁分泌/内分泌有关。干细胞释放的微泡被募集到组织损伤的位点，可能诱导损伤后残存的细胞发生去分化，使这些细胞暂时获得类似干细胞的表型并且激活组织再生程序。最近的研究证实人间充质干细胞释放的微泡可以刺激肾小管上皮细胞的体外增殖和抗凋亡作用，还可以加速甘油诱导的免疫缺陷（SCID）小鼠急性肾脏损伤的功能和形态修复[36]。在加速急性肾损伤修复中，微泡和间充质干细胞均是有效的，间充质干细胞的有益作用在很大程度上是依赖于微泡的释放。研究显示，用RNA酶处理微泡，可以阻碍微泡在体内和体外发挥作用[36]，表明微泡发挥作用的机制依赖于RNA的传递。与之前关于内皮祖细胞的发现一致，微泡含有特定的转录本而不是随机的细胞mRNA。间充质干细胞释放的微泡含有很多具有间充质干细胞分化和功能特点的mRNA，表明这些mRNA具有细胞特异性[36]。这些发现表明，微泡内mRNA的变化依赖于刺激，细胞微泡的产生过程是受到严密调控的。目前研究对于这些mRNA进入靶细胞是否激活了这些转录本的翻译控制机制或特异性检验点尚未有定论。虽然在急性肾损伤的小鼠的肾小管细胞中存在人特异性的mRNA和蛋白质，表明确实发生了mRNA向肾小管细胞的转移[36]，但是其他细胞也可能参与了此类遗传物质的转移。Bonventre[37]研究认为，内皮细胞可能也是微泡的靶细胞，导致肾灌注、炎症和血管通透性的改变，从而可能影响急性肾损伤的修复。

微泡介导的从干细胞或前体细胞向受损细胞的遗传信息转移，是否具有治疗的前景尚需要进一步的研究。在再生医学领域使用微泡可以避免干细胞移植入肾脏后可能出现的分化不良[38]，具有潜在的巨大价值。

6 结语与展望

目前，研究已经证实了干细胞通过旁分泌/内分泌机制进行肾脏修复[1]。然而，干细胞的旁分泌/内分泌作用的机制尚未明确。最近研究发现细胞可塑性的机制依赖于微泡介导的遗传信息交换[22]，表明干细胞能够以细胞周期相关的方式来不断地改变它们的表型，各种不同的干细胞类型可能仅仅是不同功能的变体。此外，微泡介导的遗传信息转移是可塑性的一个独特机制，这不仅可以解释干细胞表型改变，还可以解释不需要通过转分化为组织细胞来实现组织修复[22]。来自于干细胞的微泡可以改变靶细胞的功能，可能不通过直接替换实质细胞的方式来修复受损的组织；转录本的转移可能通过协调可溶性因子的产生从而调控细胞增殖、抗凋亡和（或）抑制炎症和免疫反应。因此，基于干细胞来源的微泡的治疗方法将来有可能成为肾病治疗的有效方法。

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