现代细胞生物学研究诠释三焦器官/间充质组织系统的医学实质

安星燕，陈云飞，李 娜，范俊芬，朱榕嘉，赵春华

(中国医学科学院基础医学研究所 北京协和医学院基础学院 组织工程中心，北京 100005)

三焦(triple energizer)一词最早起源于《黄帝内经》，是中医藏象学说中一个特有的名词。医学上对三焦有诸多研究，很多疑难杂症可以通过调节三焦而进行治疗。随着对人体的认知进入细胞生物学，赵春华教授团队发现了三焦器官的分布与功能同间充质干细胞系统源头发育及间充质组织系统非常相近，历时多年,进行了细胞生物学、发育生物学、结构生物学及系统功能等的研究，最终揭示了三焦的实质。

1 三焦的发育、来源和组织结构

1.1 三焦的发育、来源

在胚胎发育过程中，三焦源于间充质干细胞(mesenchymal stem cells , MSCs)系统，发育起源主要源于神经嵴和中胚层及胚胎发育后的不同阶段干细胞分化成的间充质干细胞。当人体胚胎分化时，细胞分泌出肽链蛋白交联成为三焦器官支架，这些支架最终以筋膜的形式分布在机体之中，发挥了筋膜的作用[1]；与此同时细胞又分泌出胶原蛋白充盈于支架中，形成三焦的支撑器官组织结构。赵春华教授团队通过一系列基础研究，拓展了前期对间充质干细胞的科学认知，在国际上首次提出“间充质组织系统(mesenchymal tissue system)”的理论概念，发现间充质组织系统由来自胚胎发育的不同阶段的所有间充质干细胞组成，包括亚全能性干细胞到间充质干细胞及多种祖细胞[2-3]。他们分离鉴定的组织器官，胚后亚全能干细胞是胚胎发育过程中位于间充质组织系统的发育源头、到祖细胞包括所有的间充质干细胞亚群，如内皮细胞和周细胞等，形成了三焦器官。间充质组织系统是胚胎后的亚全能干细胞向间充质干细胞前体发育分化的所有间充质细胞组成的一个复杂混合的细胞群体，包含了源自胚胎不同发育胚层和整个生长发育过程的多个不同阶段及三胚层不同组织来源的间充质干细胞。人体间充质细胞系统的细胞复制、增殖、分化等均在三焦器官之中完成，三焦广泛分布于全身包括皮肤真皮层、胃肠道、肺部、泌尿系统、血管等几乎所有器官和组织，间充质细胞系统的细胞在三焦器官形成的间充质组织系统中迁移、归巢到功能脏器中[4]，在胚胎时期完成功能脏器的塑造，在成体期后维持组织细胞平衡、修复和再生受损组织。赵春华教授团队认为三焦器官的间充质组织系统均具有干细胞自我复制多系分化特性、平衡机体组织微环境与组织代谢及突出的免疫调控功能的三大重要生物学特征(图1)。

1.2 三焦的组织结构

间充质干细胞已经在骨髓、脐带、脂肪等多种组织器官中分离得到。间充质干细胞不仅具备干细胞的基本特性，还具有低免疫原性、免疫调节能力等特性，其分离出的间充质细胞并不分布在已知的器官组织之中，而是在器官组织间隙，它包括间充质干细胞及其内皮细胞和周细胞等，是人体微环境调节的必要细胞组成部分，这正是三焦器官的分布所在，间充质细胞系统，即三焦器官/间充质组织系统[2-3]。赵春华教授团队从三焦组织重要器官骨髓腔研究入手获取组织细胞，以调控细胞之间及细胞与细胞外基质间相互作用CD146分子分选出构成三焦结构主要功能细胞—间充质干细胞/周细胞群体，鉴定了该功能细胞具有细胞黏连聚集、细胞骨架重组、形态维持特征性标志—分子表型为CD146、CD90、CD29、CD44阳性，CD34、CD31等造血内皮细胞标记阴性，MHC-Ⅱ类分子HLA-DR阴性，且间充质干细胞/周细胞表达多能干细胞基因OCT-4及NANOG等。且在从大鼠脑三焦组织中分离细胞进行混合胶质细胞培养14 d发现并拍摄记录了以周细胞为代表的参与细胞间相互作用的三焦组织细胞具有可收缩功能(图2A-C)。纽约大学的病理学教授Neil Theise团队利用了一种新技术—基于探针的激光共聚焦显微内镜， 在内窥镜检查时， 以高分辨率实时观测活体组织成像，进一步发现黏膜下层中存在一种充满液体的网格空间结构，由胶原纤维束包裹间质液而成(图2D)，揭示了三焦器官结构由三部分组成：支架、胶原、间充质干细胞及其组织细胞、内皮细胞和周细胞等[5]。三焦器官广泛分布于全身，包括皮肤真皮层、胃肠道、肺部、泌尿系统和血管等几乎所有器官和组织的黏膜下层，这些部位正是间充质干细胞系统被发现的部位。

图1 间充质组织系统的起源及鉴定Fig 1 Origin and identification of mesenchymal tissue system

三焦器官能较好地解释间充质干细胞在分化潜能和免疫调节功能中的各种组织细胞结构及功能异质性。间充质组织系统功能是通过三胚层多谱系分化、调控组织微环境及代谢平衡、调控免疫三大功能方式来维持组织更新、代谢、损伤修复和免疫平衡。将该理论扩展到临床治疗，系统研究三焦器官不同群体间充质干细胞并制定分化调控策略，为干细胞用于治疗多种难治性疾病关键技术开发提供了理论依据。

2 三焦器官是支撑机体各大系统、维持组织器官功能的场所

三焦在中医中，作为六腑之一，是分布于全身的一个大腑，惟三焦最大，无与匹配，故有“孤府”之称。正如张景岳《类经·脏象类》所说：“三焦者，确有一腑，盖脏腑之外，躯壳之内，包罗诸脏，一腔之大腑也”。随着科技的进步， 尤其是细胞生物学与医疗活体检测的发展，人们对人体有了更多的认识与了解，医学的一些科学发现与远古医学逐渐契合，本文从间充质干细胞及间充质组织系统概念阐述三焦器官的发育来源和功能及其实质，把原来抽象的三焦概念通过现代细胞生物学研究与医疗活体检测技术的结合使三焦器官实体化了，揭示了三焦器官是存在于人体各组织脏器间、皮肤真皮层、 组织的黏膜下层， 胃肠道、肺部、泌尿系统间、血管组织间等，具有特殊组织结构的最大脏腑器官。三焦器官联系于人体组织之间、器官系统之间，并濡养全部组织器官和细胞，形成间充质组织系统，发挥着干细胞储备、水液代谢、养分运输、免疫调节、激素运输、信号传递的通道等诸多生物功能，将人体组织器官功能合一。三焦器官是人体免疫应答参与重要免疫调控的场所，而间充质组织系统是组织间激素、内分泌调节及组织代谢间质细胞有机系统。

A.分选后骨髓贴壁细胞高表达CD146分子；B.分选后CD146+BMSCs的免疫表型；C.光镜下观察到具有收缩功能的三焦组织细胞(×100)；D.三焦器官结构组成

三焦器官支架由基质细胞分化而来，于功能组织及其细胞之间支撑起一个空间腔隙，以供间充质组织系统进行生物学活动，其中的胶原组织是由细胞分泌而来，主要物质由胶原蛋白组成。间充质干细胞广泛分布于三焦器官之中，承担组织再生、修复，免疫调节，因子释放，ATP能源提供等作用。可以说除了功能脏器组织之外的人体组织都是三焦器官/间充质组织系统，包括血管内膜下腔隙：维护血管结构与弹性等功能正常；骨髓腔：储备亚全能干细胞和造血干细胞，是血液再生和组织重建的源头；蛛网膜下腔：分泌脑脊液濡养大脑和脊髓；心包腔:保护心脏，代谢心液；胸膜腔:保护肺脏，代谢肺液；关节腔：保护关节，分泌关节液；大网膜间隙：腹腔物质交换，维持腹腔内微环境；肌肉筋膜层间隙：保护并营养肌肉；全部黏膜下间隙：全身体液调节，组织间物质交换。三焦器官是间充质干细胞休眠及复苏、复制或分化的场所，间充质组织系统是供生命活动的能量流动和生物信号分子与递质运输的场所。

3 三焦器官/间充质组织系统的功能

3.1 三焦器官/间充质组织系统是涵盖和运输全身液体及可流动物质的系统

人体组织含水量达50%～70%，这些液体除了分布于细胞内的，绝大部分都分布于三焦器官之中，间充质组织系统汇集了全部组织的代谢液体、分泌的激素、释放的生物信号分子等，运输生物信号分子到指定的靶组织器官，如将胰岛素分布入血液结合到膜受体发挥作用等；代谢掉废弃物，如从奏里排出汗液，从膀胱排出尿液，从大肠排除粪便等。《素问·六节藏象论》说：“三焦……仓廪之本，营之居也，名曰器，能化糟粕，转味而入出者也。”指出三焦具有对水谷的精微变化为营气，以及传化糟粕的作用。

人体水液代谢是一个复杂的生理过程，是多个脏腑的一系列生理功能的综合作用。如《素问·经脉别论》认为：“饮入于胃，游溢精气，上输于脾，脾气散精，上归于肺，通调水道，下输膀胱，水精四布，五经并行”。水液代谢虽由胃、脾、肺、肾、肠、膀胱等脏腑共同协作而完成，但人体水液的升降出入，周身环流，则必须以三焦为通道才能实现。因此，三焦水道的通利与否，不仅影响到水液运行的迟速，而且也必然影响到有关脏腑对水液的输布与排泄功能。

3.2 三焦器官/间充质组织系统统领能量生成与转化、器官组织功能调节与代谢

《中藏经·论三焦虚实寒热生死逆顺脉证之法》说：“三焦者，人之三元之气也，号曰中清之府，总领五脏六腑、营卫、经络、内外、左右、上下之气也。三焦通，则内外左右上下皆通也，其于周身灌体，和内调外，营左养右，导上宣下，莫大于此也”。能量即是中医里讲的气，《难经》六十六难说：“三焦者，原气之别使也，主通行三气，经历五脏六腑。”原文明确地说明三焦是人体元气(原气)升降出入的道路，人体元气是通过三焦而到达五脏六腑和全身各处的。气被分为元气、宗气、营气、卫气。

气是能量，人体的能量是ATP，线粒体产生的ATP，元气是先天之气，是首发动力，是生命伊始，出生前靠母体培养；出生后水谷运化的宗气(食物养分)以及呼吸进来的清气(氧气)，进入细胞线粒体，线粒体依靠储备的元将其生成人体生命活动赖以生存的气，推动气血运行于三焦，遍布周身[6]。

元气，为人体最根本的气，是生命活动的原动力。元气根于肾，通过三焦别入十二经脉而达于五脏六腑，故称三焦为元气之别使。因为三焦通行元气于全身，是人体之气升降出入的通道，亦是气化的场所，故称三焦有主持诸气，总司全身气机和气化的功能。如果元气虚弱，三焦通道运行不畅或衰退，就会导致全身或某此部位的气虚现象。

“元气”就是胚胎后的组织干细胞，是由受精卵即“元精”化生，所以名之为“元气”。赵春华教授及团队系统阐明了间充质干细胞的等级结构性(hierarchy)，将其还原中医的元气功能，首次利用高通量组学技术解析了人间充质干细胞亚群全基因组组蛋白图谱及三胚层分化关键转录因子组蛋白修饰状态，通过模拟胚胎发育自然程序和小分子化合物诱导策略，成功实现了间充质干细胞向三胚层分化的高效诱导分化技术体系，包括：间充质干细胞向内胚层胰腺干/祖细胞及胰岛素分泌细胞阶段性分化等体系[7-8]，间充质干细胞向外胚层阶段性分化为神经等谱系细胞的高效诱导体系[9]；建立了间充质干细胞向肾脏干祖细胞诱导体系，成功模拟后肾微环境，诱导间充质干细胞向肾脏细胞分化等[10]，在体内证明了间充质干细胞直接分化为多种组织细胞并对组织损伤的修复起重要作用。通过上述研究诠释了元气与间充质干细胞的功能一致性，并揭示了间充质组织能量生成与转化的可能机制。

元气的作用重要性与亚全能干细胞发育及形成三焦器官间充质组织系统，从发挥作用上一脉相承。元气的作用是多方面的，它通过三焦运行于人体全身，五脏六腑得到元气的推动激发从而发挥各自的功能。维持人体的正常发育和活动。五脏六腑之气的产生，都源于元气。因此，元气充足，脏腑功能就是强健，身体就健康。如果先天不足，或者久病而损伤元气，则身体衰弱，也容易患染其他疾病，所以，医学以培养元气为治病之本，因此干细胞的补充可以治疗很多难治性疾病。

“宗气”和“营气”，是由自然界吸入的氧气和由脾胃消化产生的水谷的精微由间充质组织系统中的线粒体加工成为ATP。具有帮助肺脏进行呼吸和贯通心脉以行营血的作用，经三焦进入脉道成为血液的组成部分，随血液运动于周身。化生血液，营养全身，调节代谢平衡。

间充质组织系统具有调控组织代谢平衡的作用，以成脂成骨为例，间充质干细胞是脂肪和骨的共同起源细胞，成脂和成骨分化异常将导致骨质疏松症、股骨头坏死、肥胖症、胰岛素抵抗等多种疾病发生。三焦器官在机体向不同组织分化的命运决定及谱系特化内在调控机制，防治机体代谢失调具有重要临床意义。赵春华教授团队发现miR-138通过直接靶向下调EID-1，抑制MSC向成脂细胞分化[11]；而miR-450b通过直接靶向抑制BMP3，促进干细胞的成骨分化[12]；miR-100通过下调BMPR2表达抑制干细胞向成骨细胞分化[13]；miR-10b则通过靶向SMAD2，发挥促进成骨分化和抑制成脂分化的作用[14]；let-7则通过调控HMGA2在干细胞成骨分化和胚胎骨发育中发挥作用[15]；长链非编码RNA ADINR通过转录激活脂肪生成关键转录因子C/EBPα的表达促进脂肪生成[16]。采用了安全的小分子miRNA干预策略，实现了MSCs向脂肪和骨分化平衡的调控，为提供了MSC治疗脂肪和骨代谢失衡相关疾病新的干预靶点，揭示了三焦器官在组织代谢平衡疾病治疗过程中具有重要临床应用价值。

“卫气”体现了间充质干细胞的免疫调节功能，卫气行于脉外，敷布全身，内而脏腑，外而皮毛，都有一种温暖和保卫的作用，是阳气的一部分，能使毛孔开合抵抗外邪，卫气虚则易汗易感冒。

赵春华教授团队在国际上率先阐述了间充质组织系统发挥免疫调节的可能机制[17-21]：1)间充质干细胞分泌具有抑炎作用的可溶性因子或通过细胞—细胞间的直接接触来发挥作用；2)间充质干细胞作用靶细胞包括T、B、单核、巨噬、NK、DC等免疫功能细胞。并在此基础上，提出了多个调控策略：①IL-10调控DC的生成与功能策略：将成熟的DC诱导成一类Jagged-2依赖的调节性DC群体。②IL-10和INF-γ抑制Th17分化策略：阐述间充质干细胞通过分泌IL-10调控免疫T细胞等功能，激活细胞因子信号传导抑制蛋白3和转录因子5的磷酸化，减少信号传递和转录因子3的激活，抑制Th17分化MSC还可通过INF-γ介导的SOCS3激活抑制Th17的分化。③Jagged-1调控T细胞策略：间充质干细胞通过Jagged-1介导的NF-κB信号抑制，调控T淋巴细胞的免疫抑制作用等。④表观模式调控B细胞策略：间充质干细胞通过改变Akt和p38通路的磷酸化模式调控B淋巴细胞增殖与分化。通过上述四大调控策略实现了三焦器官多靶点调节机体免疫系统的目的，为难治性疾病治疗方案的制订提供了整体指导思想。

3.3 三焦器官包裹脏器濡养脏气承担了人体经络的生理功能

三焦器官在结构及功能上与中医的经络有重合之处，三焦器官是联系脏腑和体表及全身各部的通道，这点与经络生理功能颇为相似，中医上说：经络是运行气血、联系脏腑和体表及全身各部的通道，人体由五脏六腑、四肢百骸、五官九窍、皮肉筋骨等组成，只有通过三焦器官与各个脏器联系作用，以温养濡润各脏腑、组织和器官，才能达到相互配合、相互协调，完成人体功能的调控系统。

经络的功能通过感应传导的三焦器官来实现，经络感应刺激、传导信息的作用，是人体针灸和按摩的基础，当人体的某一部位受到刺激时，这个刺激就可沿着经脉传入人体内有关脏腑，使其发生相应的生理或病理变化。

间充质组织系统是三焦器官的生物学基础。三焦器官是各个脏器的天然智慧孵化器，脏器从三焦器官中摄取能量，满足了各个脏器生长代谢的微环境。总观三焦，膈以上为上焦，包括心与肺；横膈以下到脐为中焦，包括脾与胃；脐以下至二阴为下焦，包括肝、肾、大小肠、膀胱、女子胞等。其中肝脏，按其部位来说，应划归中焦，但因它与肾关系密切，故将肝和肾一同划归下焦。三焦的功能实际上是五脏六腑全部功能的总体。各个脏器分布在身体的特定位置各司其职，且五脏中的五行相生相克，相乘相侮，如肝气犯胃，心肾不交。间充质组织系统把各个脏腑器官联系成为了一个有机整体，只有调节间充质组织系统、精准完成脏器之间复杂的网络交联和信息传递，才能确保脏器新陈代谢平衡。

结语：三焦器官是分布于人体组织之间、器官系统之间，具有特殊组织结构，赵春华教授团队分选并鉴定了构成三焦结构主要功能细胞—间充质干细胞/周细胞群体，并从活体脑组织中分离到具有可收缩功能的三焦组织细胞。间充质组织系统承担着人体水液代谢、养分与激素运输、信号传递的通道，发挥着干细胞储备、增殖分化、免疫调节、连接并濡养全部组织和细胞，将人体组织器官有机合一的功能。三焦器官联系脏腑，濡养脏腑、组织和器官，运行气血、感应传，完成人体经络功能的调控。提出人体三焦器官即是间充质组织系统的概念，阐明了三焦器官间/充质组织系统精准完成组织细胞内分泌系统代谢、免疫平衡、组织器官再生修复和功能重建机制。