间充质干细胞治疗急性胰腺炎机制的研究进展

孙晓莉，金世柱

哈尔滨医科大学附属第二医院消化内科，黑龙江 哈尔滨 150000

急性胰腺炎(acute pancreatitis，AP)是一种高死亡率的胰腺无菌性炎症，是临床中常见急性腹痛症之一[1]。据统计[2]，AP的全球年发病率约33.74/10万人，且呈逐年增长的趋势。其中90%～95%的患者为轻症急性胰腺炎(mild acute pancreatitis,MAP)或中-度重症胰腺炎，病情较轻、预后较好。其中5%～10%患者可进展为重症急性胰腺炎(severe acute pancreatitis,SAP)，除了危重的临床表现外，通常合并严重的并发症，如休克、全身炎症反应综合征及多器官功能衰竭，病死率为25%～50%，严重危及患者生命。迄今为止，对于AP的治疗，仅局限于常规的补液、对症支持、营养支持、预防胰腺感染、坏死、手术等，仍无合适的治疗方案。AP的治疗一直是临床与基础的研究重点，根据目前的研究进展[3]，间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)因多种特殊的生物学特性被认为是治疗AP的一种很有前途的手段。在本文中，我们对目前已发现的MSCs治疗AP的相关机制作一概述。

MSCs是一种来源广泛的(如骨髓、脂肪组织、胎盘和脐带组织等)多能干细胞[4]，同时具有强大的自我更新及多项分化的潜能。MSCs无人类主要组织相容性复合体Ⅱ抗原，避免了免疫排斥反应，这使得MSCs在组织工程学中得以广泛应用。鉴于其多向分化的能力，MSCs已被广泛地应用于永久性细胞的替代治疗[5-6]。同时MSCs具有免疫抑制功能，可通过调控炎症微环境进而发挥独特的免疫调节潜能。近年来，MSCs治疗已经在多种疾病的临床试验[7]及多种消化系疾病的动物模型中成功开展，如肝硬化[8]、肝衰竭[9]、结肠炎[10]等。

1 MSCs的定义

20世纪50年代，MSCs被Friedenstein等在大鼠骨髓抽取物中发现并成功分离培养。国际细胞治疗协会提出了以下几点MSCs定义标准[11]：(1)不表达造血干细胞标志物CD45、CD34、CD33、CD14、CD117；(2)体外可诱导成骨、软骨及脂肪细胞；(3)体外培养时具有成纤维样贴壁生长的细胞形态。

2 MSCs的生物学特性

2.1 多向分化的潜能及去分化的功能MSCs在体内及体外可分化为神经祖细胞、平滑肌细胞、肝样细胞、成骨细胞、髓核样细胞等。Zhang等[12]证明了HGF过表达的大鼠牙髓MSCs移植入大鼠体内后可定植并分化为肝样细胞。Han等[13]发现，体外在模拟微重力条件下转化生长因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)的诱导下骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)可分化成为髓核样细胞。Zhang等[14]使用大鼠牙髓MSCs移植治疗大鼠放射食管炎，证明移植的牙髓MSCs可在损伤的食管黏膜处定植分化，并发现大鼠移植MSCs后食管黏膜细胞损伤和炎症反应均明显减轻。

MSCs不仅具有多项分化的潜能，已分化的MSCs还具有回复为原始MSCs的能力，即去分化能力。在改变分化后MSCs的培养条件后，已分化的MSCs能够回复到未分化时的原始MSCs，并可再次诱导分化为其他类型的细胞[15]，且与未分化的MSCs相比，抗凋亡相关基因表达增多、生存期延长。

2.2 低免疫原性MSCs是一种免疫缺陷细胞，具有低免疫原性，可以用于不同个体间的移植。效应T细胞的活化依赖于MHC-Ⅱ类分子和共刺激分子，因此，当MSCs在活化效应T细胞时，由于MSCs缺乏MHC-Ⅱ类分子和共刺激分子，T细胞对异种抗原的识别受阻，难以产生有效的排异反应，从而提高MSCs移植的存活率。

2.3 归巢特性归巢通常指MSCs向靶组织、靶器官定向趋化，穿过毛细血管壁至靶组织、靶器官并定植分化为特异性组织细胞的过程，是干细胞治疗的初始环节。当机体组织发生损伤时，会释放多种趋化因子、炎症因子、黏附因子等。MSCs表面相应受体结合以上这些细胞因子后，可驱动MSCs向损伤部位迁移与定植。基质细胞衍生因子-1(SDF-1)与其相应的CXCL趋化因子配体4(CXCL4)形成的SDF-1/CXCL4轴，是调控MSCs向损伤部位迁移归巢最重要的生物轴[16]。SDF-1/CXCL4可抑制MSCs凋亡，提高MSCs的活化率及增殖率。提高MSCs的归巢率是保障其治疗效果的关键步骤，但目前MSCs归巢、定植、分化的具体机制尚未阐明，且不同组织来源的MSCs显示出不同的归巢分子表达谱[17]，这使MSCs的组织工程学研究进一步增加了难度。

2.4 免疫调节功能MSCs对T细胞、B细胞、NK细胞、树突状细胞及单核/巨噬细胞等均能发挥独特的免疫抑制作用，进而显著抑制排斥反应的发生，这是MSCs异体移植的前提。大量研究表明，MSCs在体内可分泌多种细胞因子，如前列腺素2(PGE2)、肿瘤坏死因子、吲哚胺2，3-双加氧酶(indoleamine2,3-dioxygenase,IDO)、白介素-6(IL-6)、肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor,HGF)、一氧化碳(NO)等，调节多种免疫细胞的增殖、分化。

2.5 抗炎功能MSCs能通过调节免疫系统，活化调节性T细胞、抑制NK细胞活化、诱导巨噬细胞向M2型分化等途径抑制血液循环与损伤组织中的促炎因子的生成，如IL-6、IL-1、TNF、干扰素γ(IFN-γ)等，同时MSCs分泌的抗炎因子，如IL-4、IL-10、TGF-β等可有效减轻局部或全身炎症反应，从而减少炎症细胞和炎症因子对组织造成的急性损伤。

2.6 促进血管新生MSCs具有成血管作用，对组织损伤[18]、心肌梗死等缺血性疾病均有较好疗效。MSCs不仅可以自身分化，表达内皮细胞标志物参与损伤组织新生血管形成，还可以直接整合到血管上[19]。整合后的细胞大部分可以分泌促进新生血管生成生长因子，如血管内皮长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、血管生成素(angiopoietin,Ang)等调节内皮系的干/祖细胞向成熟的血管内皮细胞分化，通过分泌功能促进血管再生。

2.7 旁分泌功能MSCs的旁分泌功能首先在心肌梗死的小鼠模型提出[20]，MSCs移植后心肌梗死面积显著缩小，然而损伤的心肌部位未发现MSCs分化的心肌细胞，且进入体循环的MSCs大多数滞留在肺部和肝脏，只有很少部分到达损伤的心肌组织。MSCs可旁分泌多种生物活性因子发挥强大的治疗作用，例如HGF、TGF-β等。近年来研究证实，MSCs衍生的外泌体同样具有强大的抗炎、促进血管生成、抗凋亡等作用，同时外泌体的免疫原性及移植不良反应远低于其他给药方式，规避了MSCs细胞治疗的安全性及细胞存活率等问题，未来MSCs的旁分泌功能或许会成为新的研究热点，但仍需要大量的研究和临床试验。

3 MSCs治疗AP的作用机制

MSCs治疗AP的具体机制尚不明确，目前的基础研究提示其主要机制包括直接修复和间接修复两个方面。

3.1 直接修复

3.1.1 MSCs向损伤部位趋化、定植、分化：目前有研究[21]证实，MSCs可作为“种子细胞”在AP中向损伤部位趋化，定植于受损的胰腺并可分化成为胰腺“靶组织细胞”、胰腺干细胞、腺泡细胞、导管细胞、胰岛细胞而发挥组织修复作用。目前多采用荧光染料标记技术、基因转染标记技术、CM-Dil等进行MSCs体内示踪。Qu等[21]将荧光染料PKH26标记的MSCs移植到AP大鼠体循环内，在胰腺组织发现PKH26标记MSCs，同时移植的MSCs表达胰腺干细胞表面分子标记(Pax-4、Nkx-6、Ngn3)，证明MSCs归巢到损伤组织后分化为有功能的胰腺干细胞，对损伤的组织进行修复，同时证明了体内注射粒细胞集落刺激因子(G-CSF)可以促进MSCs向损伤胰腺组织的归巢、定植、分化。

MSCs的归巢受到多种因素的调控，目前认为SDF-1/CXCR4轴是促进MSCs向损伤组织归巢最重要的生物轴。Gong等[22]发现，给予抗趋化因子受体4(CXCR4)抗体干预后MSCs的归巢率及胰腺组织的修复水平明显降低。有研究[23]将MSCs的CXCR4基因过表达后应用于急性心肌梗死大鼠模型，结果显示，CXCR4过表达组MSCs的归巢细胞数量是未转染组的3倍。以上研究均证实了SDF-1/CXCR4轴在MSCs体内归巢中的重要地位。

3.2 间接修复

3.2.1 MSCs抗炎及免疫调节作用：AP中局部的炎症会使各种炎症细胞趋化，不同的促炎细胞因子数量急剧增加，如IL-6、TNF-α等。大量研究证实，MSCs移植后可以显著降低血清及组织的促炎因子(TNF-α、IL-1β和IL-6)的数量，增加抗炎因子(IL-4、IL-10)的数量。Qian等[24]研究发现，microRNA-9修饰的BMSCs可以通过抑制NF-κB信号通路降低局部组织及血清中促炎因子[TNF-α、IL-1β、IL-6、高迁移率族蛋白B1(HMGB1)、髓过氧化物酶(MPO)]的水平，增加抗炎细胞因子(IL-4、IL-10、TGF-β)的水平，减轻SAP胰腺组织损伤程度，减轻局部或全身炎症反应。

3.2.2 MSCs保护腺泡细胞、抗凋亡：腺泡细胞死亡是AP疾病发生、发展中重要的病理变化，胰腺腺泡细胞死亡方式一直是AP研究的热点。Nagaishi等[25]证明了人羊膜MSCs能减轻牛黄胆酸钠诱导的大鼠SAP模型胰腺组织腺泡细胞损伤或坏死。关于MSCs减轻腺泡细胞凋亡与坏死的机制还有待进一步研究，最近研究表明[26]，MSCs分泌的miR-181a-5p可通过张力蛋白同源物基因(PTEN)/蛋白激酶(Akt)/TGF-β1通路，发挥抗凋亡作用，促进损伤的胰腺组织再生。Song等[27]发现，过表达miR-9的BMSCs移植后可显著减轻SAP大鼠胰腺组织的程序性死亡。以上研究均证明MSCs能减少AP模型中胰腺腺泡细胞凋亡。

3.2.3 MSCs促进组织血管新生：MSCs能通过促进损伤胰腺血管新生，加速胰腺组织修复。Qian等[24]研究发现，SDF-1α能显著刺激BMSCs中Ang-1和CXCR4的表达，证明了MSCs在SAP大鼠中通过SDF-1/CXCR4轴促进胰腺组织血管新生进而促进损伤胰腺组织修复。He等[28]同样证明BMSCs促进脱氧胆酸钠诱导SAP模型损伤胰腺血管新生，同时发现BMSCs敲除TSG-6基因后对胰腺组织的修复作用消失。

3.2.4 MSCs对胰岛的保护作用：AP时，由于胰岛β细胞受损，胰岛细胞功能失调甚至丧失，导致糖耐量受损或胰岛功能抵抗，且机体血糖升高与AP严重程度密切相关。高血糖可导致继发性感染恶化，而难以控制的感染常诱发机体胰岛素抵抗[29]，形成恶性循环，加速疾病进展。MSCs能通过提供由旁分泌作用改善胰岛细胞微环境，减少内源性胰岛β细胞坏死及凋亡，促进胰岛β细胞的修复再生[30]，从而改善外周组织的胰岛素抵抗。

4 提高MSCs治疗效果的可行方案

尽管MSCs在临床上已应用于治疗多种疾病，但MSCs在体内归巢率和存活率较低，治疗效果尚不满意。目前已有多种研究尝试通过不同的方法增强MSCs的治疗效果，包括体外对MSCs急性基因编辑和预处理等。

Yang等[31]证明，血管紧张素Ⅱ预处理人脐带间充质干细胞(Ang-Ⅱ-MSCs)后可通过分泌VEGF促进损伤胰腺组织血管新生。研究证明，将MSCs与巨噬细胞共培养后通过增加MSCs的PGE2分泌能力增强其免疫调节能力。Hua等[32]证明了Ang-1基因过表达的MSCs较过表达前的MSCs更能有效促进胰腺组织新生血管的形成。Qian等[33]证明，miR-9修饰的BMSCs通过诱导胰腺组织血管生成治疗SAP。

5 结论及展望

综上，MSCs移植作为一种新型的治疗方法，治疗AP可能成为一种革命性的新治疗手段。但目前MSCs治疗AP仍局限于动物实验阶段，尚未进行临床转化，动物实验中发现在AP的治疗中可以通过抗炎、抗凋亡、抗氧化、再生胰腺细胞、增加胰腺组织血管密度来改善AP预后，然而仍有许多有待解决的问题在不断探索中，如建立MSCs的规范化生产流程，包括MSCs的组织来源、鉴定手段、培养、传代等；细胞移植的时间、数量、频率、给药间隔时间、途径等；MSCs的动员与归巢；MSCs的远期预后及安全性等。因此，了解MSCs治疗AP的具体机制是未来广泛使用MSCs治疗AP的前提和基础。