骨髓间充质干细胞向肝细胞分化的相关细胞因子及信号通路的研究进展

肝硬化失代偿期肝细胞被大量破坏、肝功能损害是临床治疗的难题，那么如何解决肝细胞被大量破坏肝功能下降？近年来对干细胞的研究为解决这个难题带来了新的希望。骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）来源于发育早期的中胚层，具有多向分化潜能[1-2]，可分化为成骨细胞、软骨细胞、肌细胞、心肌细胞、脂肪细胞，甚至是神经细胞等成熟细胞[3-4]。目前亦有大量研究表明，已有一系列的特殊诱导机制保证了BMSCs分化为肝细胞，进而改善肝硬化失代偿期的肝功能[5-7]，并通过检测白蛋白、甲胎蛋白、凝血酶原时间及肝细胞相关标志物检测肝细胞的表达及其功能。

诱导BMSCs向肝细胞分化过程中的具体机制至今仍不明确，其主要涉及细胞融合学说、转分化机制及潜能干细胞学说等等。近年来实验研究主要涉及转分化机制中的分子生物学和生物化学，研究涉及复杂的信号通路，文章主要就BMSCs向肝细胞分化过程中相关信号通路进行综述。

一、相关细胞因子

肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）是一类可以调节干细胞增殖、分化、形态学变化、位置变化的细胞因子，是诱导BMSCs向肝细胞分化的关键性细胞因子[8]。

碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF），是成纤维细胞中的一种，广泛分布于垂体、心、肝、肾、肾上腺、胸腺、黄体等组织中[9]，是一类毛细血管增殖刺激剂，在细胞的增殖和分化中起重要作用，在血管增生、炎症、肿瘤生长亦发挥作用[10]，对HGF诱导BMSCs向肝细胞的分化具有协同作用。

二、相关信号通路

（一）NF-kB信号通路

核因子-kB（nuclear factor-kappa B，NF-kB）是一个由P50、P60、IkBa亚单位组成的胞质三聚物[11]，它是支配细胞增殖、分化和凋亡的主要因素之一。以往已经有大量实验证明，细胞核内的NF-kB信号通路参与BMSCs向神经细胞及骨骼肌细胞的分化[12]，抑制NF-kB信号通路的激活可促进BMSCs向神经细胞的分化[13]；促进NF-kB信号通路的激活可以增强BMSCs向骨骼肌细胞的分化[14]，当然，NF-kB信号通路对BMSCs向肝细胞分化也是不可缺少的信号通路。

NF-kB在静息状态下大部分位于细胞质中，当向BMSCs中加入HGF后，IkBa磷酸化使得NF-kB被大量激活后，NF-kB二聚体进入细胞核中从而发挥作用[15]。通过上游磷酸化级联反应，IkBa亚单位从NF-kB三聚物中分离，剩下的P50/P60二聚物进入细胞核并在kB的反应增强区域与kB序列结合，因而增强下游基因的表达[16]。靛氰绿（indocyanine green，ICG）摄取试验（用于检测肝功能）及Western blot数据表明HGF可诱导BMSCs向肝样细胞的分化，当加入NF-kB信号通路抑制剂时，HGF所诱导的BMSCs向肝样细胞分化被阻止，进而证明HGF通过激活NF-kB信号通路促进BMSCs的肝样分化[15]。

（二）Notch信号通路

在哺乳动物中，Notch信号通路是最基本的信号通路之一，是一个高度保守的信号通路，涉及细胞及组织分化，Notch家族是由四个Notch受体（Notch1-4）和五个配体，即两个 Serrate基因（Jagged1-2）和三个 Delta（Delta1，3和 4）基因组成[17-18]。在人体中，Notch信号通路经常涉及到决定干细胞分化为不同组织和细胞的分化状态和命运的早期发展。Jagged1的增加会激活Notch信号通路，Notch介导分化抑制信号，当Notch信号通路被抑制时，BMSCs进入分化程序，发育为功能细胞。Notch信号通路在肝、心、肾脏、脉管系统、骨骼和其他脏器系统的发育过程中起着非常重要的作用，与细胞生长增殖、分化、生长、凋亡也有着密切关联[19-20]。年老细胞的Notch信号通路表达水平比年轻细胞的表达水平要高很多，阻止Notch信号通路可以促进BMSCs分化为成骨细胞[21]。

柯尊富等[22]的实验通过体外诱导BMSCs向肝细胞分化，在BMSCs向肝细胞分化之前，利用RT-PCR及Westernblot检测发现 Jagged1-2、Delta1，3、Notch1-3和 Presenilin的mRNA水平很高，然而在分化的第11天，其含量降至最低，并在第21天时其含量明显较0，7，11 d下降，这些就表明了BMSCs肝向分化过程中Notch 信号通路的表达下降，说明Notch 信号通路可能对BMSCs向肝细胞的分化过程是必要的，并对此过程起到抑制作用，即Notch信号通路的下调促进BMSCs向肝细胞分化。

（三）MAPK信号通路

丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）是一组存在于哺乳动物细胞内的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，是受体激活和细胞功能的关键连接点[23-24]，能被不同的细胞外刺激激活，在调节细胞的生长、分化、凋亡、对环境的应激适应、炎症反应的过程中起重要作用，是神经系统疾病和心血管系统疾病的重要靶点[25]。MAPKs家族包括：p38激酶、癌基因N端激酶（c-Jun N-terminal kinases，JNK）、细胞外信号调节蛋白激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）、ERK3、ERK8、ERK27、大 MAPK 通路、NLK等8个亚家族[23,26]。

MAPK（P38，JNK，ERK）信号通路构成一个巨大的激酶系统，可以调节一系列的生物学过程，例如细胞生长、分化和凋亡，以及应对各种应激反应，以往实验都证明了MAPK信号通路科诱导骨髓干细胞向神经细胞分化。P38和ERK在调节细胞增殖和分化起着重要作用[27-28]，尤其是P38信号通路对促进骨髓干细胞向肝细胞的分化起着非常重要的作用，FGF4和HGF可以促进BMSCs向肝细胞分化[8]。当在加入FGF4和HGF的培养基中加入P38抑制剂（SB203580）和ERK1/2抑制剂（U0126）时，AFP和FOXa2的表达在所有的MAPK抑制剂组均下降，在P38抑制剂组下降更为明显，说明肝向分化受到了抑制[29]。由此证明FGF4和HGF体外诱导骨髓干细胞向肝细胞的分化需要MAPK信号通路的参与。

（四）Wnt信号通路

有研究报道在果蝇胚胎发育研究中发现了无翅基因（wingless），在小鼠乳腺肿瘤研究时发现的Int癌基因，该基因的激活需要依赖小鼠乳腺癌相关病毒（mouse breast cancer related virus，MMTV）基因的插入（insertion）[30-31]。wingless基因与Int基因为同源基因，因此，合称为Wnt基因[32-33]。Wnt蛋白是一类富含半胱氨酸残基的分泌信号糖蛋白家族，是由19种高度保守的糖蛋白作为配体的横跨膜受体，在神经系统胚胎发育及BMSCs向神经细胞的发育过程中起着重要的作用[34-35]。Wnt信号通路包括典型的Wnt信号通路（β-catenin依赖型的）和非经典的Wnt信号通路（β-catenin非依赖型的）[36]，经典的Wnt/β-catenin信号通路的核心是β-catenin，此通路与肝纤维化存在一定关联[37]。Wnt信号通路在干细胞的增殖、分化、迁移的过程中发挥重要作用，与肿瘤、肥胖、糖尿病及骨相关疾病亦相关联[32]。

在BMSCs的肝向分化过程中，β-catenin在连续地降低，而Wnt/β-catenin的表达变化提示Wnt信号通路在这一过程中也是下降的[38]，分化过程中β-catenin呈下降趋势，提示Wnt信号通路是被抑制的。当Wnt-1被加入到BMSCs培养基中的时候，BMSCs在这个过程中仅仅表达Bst1，这就证明了下调Wnt信号通路可以促进BMSCs的肝向分化[39]。而β-catenin是一类多功能胞质蛋白，广泛分布于细胞内，位于Wnt信号途径的中心位置，它在Wnt信号通路中起重要作用，它在细胞内的数量和状态对该途径发挥作用有决定性的影响[32, 40]。

（五）STAT3信号通路

人类的转录因子（signal transducer and activators of transcription signaling，STAT）家族由七种不同的蛋白组成，即STAT1-4、STAT5A、STAT5B、STAT6，而它都被不同的基因所编码，STAT1和STAT3是STAT家族中最具典型的代表，STAT1能够促进细胞凋亡和炎症发展，STAT3与癌症进展相关联，也是肿瘤及肝细胞肿瘤药物治疗的靶点[41-42]，在多种造血系统肿瘤及实体肿瘤中均有异常表达[43-45]。

STAT3即信号转导和转录激活因子3（signal transducer and activators of transcription signaling 3），是 一 类 由 750 ～800个氨基酸组成的DNA结合蛋白，是存在于细胞浆与络氨酸磷酸化信号通道偶联的一种双功能蛋白[42]，它参与了胞内信号转导通路、多种肿瘤的致癌信号通路，可以被生长因子、细胞因子和多个促炎因子活化[46]，也可被JAK激酶、白介素6、表皮生长因子受体等多种细胞因子、生长因子受体或癌蛋白激活，在细胞的分化、增殖、转化、转移、凋亡、存活、细胞免疫等过程中起重要作用[47]，它在早期胚胎发育和BMSCs分化过程中是必不可少的，可以促进创伤愈合、细胞迁移和细胞增殖。在BMSCs肝向分化的过程中，STAT3和MAPK/ERK信号通路是被激活的，而β-catenin的mRNA及其蛋白的表达量却是下降的，激活IL-6/gp130所介导的STAT3信号通路可促进骨髓干细胞的肝向分化[48]。在BMSCs肝向分化过程中，由IL-6/gp130所介导的信号通路包括STAT3信号通路和MAPK信号通路均是被激活的，而Wnt信号通路则是被抑制的[48]。

三、讨论

BMSCs的肝向分化潜能的发现成为肝功能受损疾病、组织修复、基因治疗的重要研究点；利用骨髓干细胞移植技术还不存在医学伦理学和免疫排斥等相关问题，是干细胞移植和组织工程研究的理想种子细胞，但是其确切的分化机制尚不明确，关于BMSCs的研究目前还处于探索中，还有很多问题有待解决，例如：（1） BMSCs分化而来的肝细胞，是否能正常表达肝细胞标志物及具备成熟的肝功能，是否会对机体原先的肝细胞造成影响；（2）如何有效的控制诱导分化的条件（包括各细胞因子及相关信号通路），如何按预定的途径进行分化，是否会对机体造成不可预见的损伤与危险；（3）骨髓干细胞移植治疗肝功能损害疾病的负反应是否会加快肝纤维化的进展。

四、展望

BMSCs是一类具有自我更新、多向分化的细胞，可以分化为肝细胞，且来源较广泛，取材容易，损伤及消耗小，增殖能力强，自体骨髓干细胞移植具有避免肝脏移植、创伤小、且免疫排斥反应小、效果显著、避免长期服用免疫抑制药物带来的副反应等优点，无伦理学争议，是组织修复、细胞移植、基因治疗的最佳候选者，有强大的临床应用前景，可广泛应用于临床，相信不远的将来利用骨髓干细胞治疗肝脏疾病可以得到明显改善，而且最终也将战胜肝脏疾病。

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