脂肪组织来源干细胞调控血管生成的研究进展

李 凯，樊 欣 综述，吴剑波 审校

（西南医科大学药物与功能性食品研究中心，四川泸州 646000）

1 脂肪组织来源干细胞：来源，免疫表型以及生理环境需求

脂肪组织是具有代谢和调控作用以及高再生潜能的器官。脂肪组织可以对生理刺激作出反应[1]，如白色脂肪组织对禁食和进食的应激反应以及棕色脂肪组织对体温降低的应激反应。成熟脂肪细胞的代谢活动主要有脂肪生成，脂解作用，糖酵解和氧化磷酸化反应，这些代谢活动一般由线粒体控制。

成年人的血管周围脂肪组织同时具有白色脂肪组织和棕色脂肪组织的生理特性，其代谢活动可能对血管张力，血管重塑，血管生成以及产热作用等产生影响。外周血管周围脂肪组织（PVAT）分泌地脂联素可以激活平滑肌细胞的钙激活钾通道（BKCa）[2]从而导致血管舒张。与衰老相关的血管功能障碍与PVAT 的异常褐变、局部腺苷的生成[3]、PVAT 一氧化氮生成减少以及血管扩张的改变相关[4]。因此，由于作用于邻近内皮细胞和血管平滑肌细胞（SMCs）的血管活性物质分泌地不平衡，成年人PVAT异常的代谢活动会导致血管舒缩机制的解除，从而导致血管功能障碍。

位于SVF 微环境的ASCs 具有自我更新特性，并且表达周细胞标志物[5-6]，如血小板来源的生长因子受体（PDGFRβ），神经/胶质抗原NG2以及CD24和PPARγ 等。ASCs与成熟的脂肪细胞相比缺少细胞内脂滴，表达间充质标志物[7-8]，如，CD90，CD105，CD73，CD44 和CD166。最近的一篇综述系统地总结了ASCs 的表型[9]，阳性标记物有CD90、CD44、CD29、CD105、CD13、CD73、CD166、CD10、CD49e、CD59，阴形标记物有CD31、CD45、CD14、CD11b、CD34、CD19、CD56、CD146。

血管周围脂肪组织增殖微环境的建立为调节脂肪干细胞多能性以及自我再生能力提供了条件[10]。比如，在ASCs中刺激PPARγ 会导致PDGFRβ 和VEGFR的激活，导致较为广泛的局部血管新生，从而加强ASCs 与血管微环境的结合。因此，PPARγ 配体的局部浓度有可能是影响ASCs在血管周围微环境中生存发展的关键因素。在ASCs中，CD73的表达表明腺苷酸调节机制的参与在干细胞形成过程中的调节作用：干细胞表达CD39 或者SVF 调节T 细胞可能会导致三磷酸腺苷（ATP）降解生成单磷酸腺苷（AMP），而ASCs 表达CD73 可以使单磷酸腺苷生成腺苷[11-12]。在SVF 微环境中，通过表达干细胞的CD38/NAD+糖水解酶活性将NAD+转化为ADP-核糖，进而通过巨噬细胞表达CD203a 活性将ADP-核糖转化为AMP，从而产生腺苷。在被激活的免疫细胞中[13]，CD73 参与的反应也可能会导致腺苷的产生。间充质干细胞以及白色和棕色脂肪组织中的脂肪细胞表达腺苷受体[14-15]；因此，腺苷以及腺苷受体的调节会影响脂肪形成：腺苷激活棕色脂肪细胞以及米色脂肪细胞[16]，促进分化，并且抑制脂肪细胞内的脂类分解[17]。

2 乳酸和NAD+在脂肪组织微环境中的代谢

脂肪细胞对脂肪酸的利用以及乳酸的产生是为机体提供能量的主要方式，并且通过脂肪细胞线粒体氧化和磷酸化的解偶联产热[18]。乳酸的糖酵解产物及其通过单羧酸转运体(MCTs)的转运调控棕色脂肪细胞的代谢活动，从而产热。

脂肪组织的这些代谢和调节活动对ASCs会产生怎样的影响？脂肪干细胞，以及其他所有具有多向分化潜能的细胞，在极大程度上依赖糖酵解活动，糖酵解的代谢产物是维持干细胞数量并且防止其不适当或不可控的补充所必需的[19]。脂肪细胞的糖酵解是脂肪细胞必要的功能性活动，但是不同位置脂肪组织的糖酵解是不同的[20]。棕色脂肪细胞的糖酵解活动取决于HIF-1的转录活动，葡萄糖转运体（GLUT）的表达以及糖分解酶的作用[21]。

乳酸来源于干细胞及其周围细胞。在白色和棕色脂肪形成过程中，乳酸转运体MCT1 和MCT4 的表达逐渐升高，这对于乳酸的聚集以及线粒体生成能量至关重要[22]。乳酸是白色脂肪细胞棕色化的标志：通过乳酸转运体（MCT），升高UCP1的表达从而影响线粒体的生理活动[23]。棕色脂肪细胞大量表达乳酸受体GPR81[24]，在成熟脂肪细胞中，GPR81的激活会抑制脂解作用[25]。GPR81 的表达是维持干细胞种群生长繁殖所必需的[26]，但是BADSCs 是否在SVF 微环境表达和使用GPR81以满足自身需要仍有待评估。

在白色脂肪组织中，糖酵解酶的表达在脂肪细胞的生长过程中逐渐升高，糖酵解活动在线粒体的解偶联过程中被同时激活[27]。棕色脂肪细胞与白色脂肪细胞不同的是，棕色脂肪细胞使更多的葡萄糖转化为乳酸和丙酮酸盐，只有小部分转化为脂肪酸（脂质新生）[28]。减少脂质新生可能与脂肪组织中的胰岛素抵抗有关，也可能反映了脂肪酸衍生物在作为调节因子的过程中产生的次要变化（蛋白质乙酰化作用，PPARγ 通路）[29]。因此，BADSCs 以及在脂肪组织微环境中的周围细胞的糖酵解活动的动态变化由于乳酸生物利用度和脂肪酸的代谢的次要改变从而影响干细胞的分化。

糖酵解和乳酸的产生的另一个重要特性是细胞内NAD+再生与丙酮酸-乳酸转化相结合。因此，在BADSCs 生长早期阶段更大程度的糖酵解以及更高的乳酸的产量，对于维持细胞内NAD+水平，以满足增殖和分化细胞的代谢需要可能非常重要。由于乳酸作为线粒体燃料的作用需要进行反向转化并增加NADH 的浓度，所以这只适用于线粒体呼吸受到抑制的情况。因此，SVF微环境的细胞的分化应该与细胞内NAD+的消耗有关。

脂肪细胞有完整的NAD+产生和消耗的机制。NAD+的消耗酶是NAD+糖水解酶（CD38，CD157），多聚腺苷酸聚合酶，组蛋白去乙酰化酶（HDAC 或者去乙酰化酶）。NAD+糖水解酶/CD38 是具有钙离子激活性能的受体和产生酶的第二信使，并且广泛表达与大脑，肝，脂肪组织和免疫细胞。随着年龄的增长，在成熟脂肪组织的CD38的表达的逐渐增加与细胞内NAD+消耗的水平相关，并可能以依赖去乙酰化酶的方式导致线粒体功能障碍[30]。最近，一个包含流式细胞术，细胞分选和免疫组化的复杂实验证明CD38作用于脂肪分化，因此可以被看作前脂肪细胞的标志物；因此，在脂肪大量产生的过程中，增殖潜能降低的CD38+免疫阳性细胞的数量增加[31]。我们推测在前脂肪细胞分化阶段SVF微环境可能会出现CD38表达的升高从而对应于糖酵解的相对抑制。由于这两种机制(CD38 的过表达和糖酵解的减少)，ASCs 细胞内NAD+水平可能会显著降低。

在棕色脂肪组织中，各种去乙酰化酶的激活是调节线粒体数量，线粒体呼吸作用，葡萄糖摄取，产热所必需的，然而在白色脂肪组织中，去乙酰化酶也有其他作用（控制脂肪因子的产生，脂肪形成）[32]。因此，NAD+的生物利用度可能决定了去乙酰化酶在ASCs 及其周围细胞中的表达水平，表明了糖酵解强度、代谢和ASCs克隆能力之间的联系。

3 脂肪组织微环境中的促血管生成活性

SVF 微环境是血管生成的平台，其中VEGF 和PDGF 是主要的调控信号[33-34]。最近的研究表明SVF 是内皮祖细胞，内皮细胞以及周皮细胞的重要来源之一，因此对血管重塑和血管生成有作用[35]。脂肪组织自身是血管生成激活因子和抑制因子的重要来源之一[36]。PVAT的促血管生成活性是由具有强大血管生成潜能的可溶性因子的分泌导致的，如血管内皮生长因子（VEGF），酸性成纤维细胞生长因子（aFGF），单核细胞化学引诱物蛋白1（MCP-1），胰岛素样生长因子结合蛋白-3（IGFBP-3），胶质细胞源性神经营养因子（GDNF），以及肝细胞生长因子（HGF）[37-38]。CD248是周皮细胞生长发育的阳性调节因子[39]，CD248 免疫阳性的SVF ASCs 有更高的促血管生成潜能[40-41]。在小鼠体内，脂肪组织血管内皮细胞可能在其体内分化的极早阶段通过紧密连接蛋白耦联产生新的脂肪细胞[42]。

脂肪组织的抗血管生成活性依赖于脂联素，内皮抑素，血小板反应蛋白-1，可溶性VEGF 2型受体，以及转化生长因子-β 等的分泌[35]。脂肪细胞的功能活动控制着促血管生成因子和抗血管生成因子的分泌，如寒冷刺激棕色脂肪细胞的VEGFA 的生成，它可以直接刺激脂肪细胞前提和内皮细胞的分化[43]。与之相反的是，从脂肪细胞中分泌的脂肪酸可以作为PPAR 受体的配体，从而影响内皮细胞，正如通过血脑屏障（BBB）在大脑微血管内皮细胞中表达PPARα 受体，从而导致BBB的通透性过高[44]。来自ASCs的外泌体，包含microRNA-181b-5p，在缺氧条件下能够激活脑微血管内皮细胞（BMECs）来刺激血管生成[45]。

上述提及内皮细胞和周皮细胞可能是ASCs的前体细胞[42]。实际上，内皮细胞和ASCs 之间的联系对于在干细胞中诱导促血管或抗血管生成的分泌活动是必需的。比如，内皮细胞在体内与ASCs相互联系，诱导激活素A的表达，激活素A是控制血管生成的重要因子[43]。

拥有高血管生成潜能的内皮祖细胞（EPCs）可以轻松地从SVF 中分离出来[46]，用于生物工程研究。与ASCs 来源的EPCs 相比，脂肪组织来源的EPCs 有更高的增殖潜能[47]。考虑到脂肪细胞与内皮细胞之间的紧密联系以及其谱系间的高度可塑性，ASCs的间充质-内皮转化[48]会导致多种病理生理学和生理学过程的发生，如之前提到的多种血管的重塑和血管新生[49]。由于这些过程通常是由局部慢性缺氧引起的，启动ASCs 的间充质-内皮转化应该与过多的脂肪形成和脂肪组织簇的扩大有关。众所周知，缺氧总是与乳酸的聚集相联系；因此，SVF微环境内局部乳酸的产生可以调控ASCs分化为内皮细胞。实际上，乳酸是血管生成的积极调控因子，并且具有克隆能力的位置在乳酸充足的微环境下可能会在大量脂肪形成的区域促进血管新生。乳酸的促血管生成的作用通常需要IL-8介导的内皮细胞的增殖[50]，脂肪组织似乎是释放入循环系统的IL-8 的重要来源之一[51]。最近来有关微重力刺激下ASCs 血管生成的实验数据（丝氨酸蛋白酶抑制剂E1，丝氨酸蛋白酶抑制剂F1，胰岛素生长因子结合蛋白（IGFBP），VEGF，以及IL-8 等在脂肪组织中的表达水平升高）部分证实了SVF 微环境乳酸介导的促血管生成作用机制。

总之，SVF中的ASCs由多能干细胞组成，这些干细胞可以被认为是血管生成的前体细胞，能够分化为内皮细胞和周皮细胞，支持血管生成和血管重构。因此，有理由认为ASCs来源细胞是满足血管再生和血管替换需要的非常有前景的候选细胞。

4 结论

在缺血性脑卒中的大鼠中静脉注射脂肪组织来源的间充质干细胞(改善神经发生、减少突胶质细胞发生、突触发生和脑血管生成)后已获得阳性结果[52]。在围产期缺氧缺血性脑损伤的新生大鼠中，当ASCs植入脂肪干细胞来源的EPCs和神经祖细胞时，它们的状态得到了改善[53]。阿尔茨海默症的发病机制中血管成分占了重要地位[54]；因此，利用ASCs的促血管生成的作用可能有治疗作用。

ASCs应用的下一个阶段是将血液微血管体外网络工程作为药物测试平台，或作为基于单独培养或与内皮细胞共培养的ASCs的植入物。与骨髓间充质干细胞相比，ASCs的多谱系特性(通过将ASCs 分化为广谱细胞来评估)和高再生能力(通过血管生成活性分析、抗衰老表型和体外氧化应激敏感性来证实)使它们成为生物工程研究的有良好前景的候选细胞。

总而言之，在过去的几十年里，在研究ASCs功能活动的分子机制方面，特别是在控制血管生成方面取得了显著的进展。血管支架存在于真实的微环境中（脂肪组织SVF，骨髓微环境、脑神经源性微环境、低血管性微环境），并且可在体外复制，因此可以对干细胞数量的维持以及干细胞分化的控制提供足够的支持，为优化组织再生方案提供了新的选择，特别是在心脑血管疾病的复杂治疗中。