交感神经及其神经递质调控间充质干细胞的研究进展

陈美雄，郑凯，徐明奎，袁仕国

1.海南省中医院骨伤科，海南 海口 570203；2.右江民族医学院基础医学院，广西 百色 533000

间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)又被称为多潜能基质细胞，是属于中胚层的一类多能成体干细胞，主要存在于结缔组织和器官间质中，在适宜条件下可分化为脂肪、骨、软骨等多种组织细胞。MSCs主要包括骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs)、脂肪间充质干细胞(adipose-derived mesenchymal stem cells，ADMSCs)、脐血间充质干细胞等，羊水和胎盘中亦含有MSCs，研究较多的是前二者。不同来源MSCs在生物表型、分化潜能等类似，但不同来源的MSCs其表达的标志可能不同，如ADMSCs表达CD49d，不表达CD106，而BMMSCs则相反[1]，另外ADMSCs不表达几种蛋白质，这些蛋白质被认为是其他干细胞群体中“干性”的标志物，包括端粒酶、CD133和膜转运蛋白ABCG2。同时不同组织来源的MSCs提取程序不一样，增殖和分化潜能也有一定的差异。故本文对不同来源的MSCs分别展述。近年来发现交感神经系统(sympathetic nervous system，SNS)对干细胞存在多位点、多阶段的影响和调控。而SNS易于药物等干预，如能明确SNS对干细胞调控的机制、方式、阶段等等，对于MSCs的临床应用以及调控MSCs修复损伤、衰老组织等将提供良好的工具和平台。本文就SNS及其神经递质与MSCs的关系展开综述，为进一步研究MSCs和可能的临床应用提供参考。

1 SNS及其神经递质对BMMSCs的调控

SNS是BMMSCs微环境的重要组成部分，去甲肾上腺素(norepinephrine，NE)调节这些细胞的生物活性。NE对BMMSCs的作用可能是复杂的双向作用。NE通过肾上腺素受体(adrenergic receptor，AR)、蛋白激酶C依赖的信号通路促进BMMSCs的增殖，并刺激BMMSCs的DNA合成；但也有研究发现NE负向调控BMMSCs增殖及分化能力，并抑制BMMSCs在基质细胞衍生因子-1诱导下的迁移能力[2-3]。研究发现β3-AR信号调节BMMSCs微环境，降低基质细胞衍生因子-1表达，形成更多增殖和分化能力得到提升的内皮祖细胞集落，从而调节内皮祖细胞的生物学特征[4]。

1.1 SNS调控BMMSCs的成骨分化MSCs表达不同亚型的AR 感觉神经和SNS调节肢体发育过程中和软骨内骨化过程中BMMSCs的骨-软骨分化[5]。研究发现，年轻小鼠SNS张力高可驱动低骨矿物质密度表型的发生，至少起部分作用[6]。BMMSCs上存在β2-AR，SNS递质可能通过作用于BMMSCs上的β2-AR而调节BMMSCs向成骨细胞的分化，同时β2-AR激动剂/拮抗剂可能通过调节BMMSCs的过氧化物酶体增殖物激活受体γ2而影响BMMSCs的分化方向，从而参与骨代谢的调节。另有研究认为是β1-AR，而不是β2-AR，可能参与大鼠的BMMSCs的成骨分化；而β1-AR的高表达可能会抑制β2-AR对BMMSCs的影响[7]。失调的交感神经活动可能通过MSCs导致阿尔茨海默症相关的骨质流失[8]。SNS去神经支配可促进BMMSCs动员，从而增强牵张成骨中的骨形成，可能与NE/β3-AR对BMMSCs迁移和成骨的抑制作用有关系[9]；同时NE可以通过NE/β3-AR/c-Jun氨基末端激酶途径增加血管内皮细胞的基质细胞衍生因子-1的分泌，从而抑制BMMSCs迁移，达到抑制成骨的效果[10]。普萘洛尔对BMMSCs的成骨分化能力具有明显促进作用，而异丙肾上腺素则对BMMSCs的成骨分化具有明显抑制作用，SNS信号可直接调控BMMSCs成骨分化能力[11]。miR-21调控失重条件下SNS激活诱发的骨质疏松，其机制可能是BMMSCs对SNS信号的响应促进了microRNA经外泌体的释放和向破骨细胞的转运[12]。有意思的是，心理应激介导肾上腺素通过减少miR-21表达抑制BMMSCs的成骨分化，miR-21的过表达逆转了肾上腺素对BMMSCs成骨分化的阻碍作用，表明心理压力、心理应激调节骨代谢[13]。

1.2 BMMSCs调控心脏SNS的重构 BMMSCs移植可以改善心衰大鼠的心脏功能，BMMSCs移植后神经生长因子表达增加，可能影响心肌梗死后的SNS重塑和电生理特性。MSCs的旁分泌因子可能参与该过程，BMMSCs通过神经生长因子在心肌梗死大鼠模型中促进心脏神经芽生[14]，并且促进心肌肌腱蛋白的过表达。BMMSCs移植能显著减轻心肌梗死后心脏自主神经功能的紊乱，其机制与BMMSCs移植促进心肌细胞等修复、减少心脏交感神经重构有关；可能通过旁分泌途径抑制心肌成纤维细胞增殖和胶原的合成而改善心肌的纤维化、提高心脏的功能[14]。低氧环境能显著上调大鼠BMMSCs的SNS重构相关因子的表达水平，促进心肌SNS重构[15]。

1.3 SNS介导BMMSCs调节造血和相关疾病 在发育的骨髓中，BMMSCs形成造血干细胞的微环境，并且BMMSCs与SNS外周神经元和神经胶质细胞共同起源，并且特征不同的BMMSCs在软骨形成和造血干细胞微环境形成中具有不同的功能[16]。SNS纤维通过调控骨髓nestin+MSCs对正常的造血干细胞有维持作用，给予神经保护药物或拟SNS药物可防止造血干细胞突变体增殖，用恢复nestin+MSCs的β3-AR激动剂治疗可通过间接减少白血病干细胞的数量来阻止骨髓增生性肿瘤的进展[17]。免疫性血小板减少症中nestin+MSCs的凋亡显著增加，且SNS、雪旺细胞、β3-AR+nestin+MSCs的比例和nestin+MSC的β3-AR均显著降低。SNS病变和骨髓nestin+MSC凋亡可能对免疫性血小板减少中骨髓趋化因子CXCL7和CXCL12的改变有影响[18]。

1.4 SNS通过BMMSCs调节血糖代谢 在糖尿病中BMMSCs的数量减少并且分化受损，且常伴随SNS损伤，NE可防止高糖诱导的BMMSCs凋亡，这种保护作用可能通过AKT/B细胞CLL/淋巴瘤2途径[19]。糖尿病患者骨髓中SNS末梢的数量明显减少[20]，导致微环境功能改变而损害造血干细胞的动员，造血干细胞和造血祖细胞异常定位于糖尿病小鼠的骨髓微环境中，并且SNS末端的数量和功能的异常与这种错误定位相关。BMMSCs对造血干细胞和造血祖细胞的动员至关重要，对骨髓β-AR刺激的异常反应包括nestin+MSCs不能响应粒细胞集落刺激因子治疗而下调CXCL12。BMMSCs治疗可促进心脏神经芽生并增加副交感神经系统与SNS纤维的比例，抑制糖尿病大鼠室性心律失常[21]。

1.5 SNS对BMMSCs其他方面的调控 向肾血管性高血压大鼠尾静脉注射BMMSCs，可显著降低蛋白尿并且抑制SNS过度活跃，从而阻止肾血管性高血压的进展，改善肾功能和结构[22]。皮肤受到分泌多巴胺的SNS丰富的支配，突触间隙中存在的多巴胺可以显著抑制伤口组织的新血管形成，通过动员到伤口床中的BMMSCs在促进伤口血管生成中起重要作用，表明使用多巴胺D(2)受体拮抗剂来刺激BMMSCs的动员可更快地再生受损组织[22]。研究发现电针激活感觉神经节和SNS中枢介导BMMSCs的释放，增强组织修复，增加抗炎细胞因子的产生并明显缓解疼痛[23]。

2 SNS及其神经递质对ADMSCs的调控

2.1 SNS通过ADMSCs调控脂肪代谢 衰老与棕色脂肪组织退化可能有非常多的相关性，包括增龄性SNS损伤对棕色ADMSCs/脂肪祖细胞功能的改变和内分泌信号的变化等等[24]。ADMSCs衍生的介质在体外促进多形核细胞形成，肥胖对远处器官损伤的影响可能取决于患者体质量指数和与损伤相关的SNS反应，这些结果表明β-AR阻滞治疗在该患者群体中的潜在作用[25]。α1A-AR是ADMSCs中最丰富的，在单细胞中使用钙成像发现只有(6.9±0.8)%的ADMSCs通过细胞内钙释放对NE起反应。

2.2 SNS调控ADMSCs影响创伤与关节炎的发展 在创伤和骨关节炎患者的滑液中检测到神经递质NE，滑膜ADMSCs表达α1A-、α1B-、α2A-、α2B-、α2C-和β2-AR，NE通过激活α2A-AR介导的细胞外信号调节激酶1/2信号通路，抑制滑膜ADMSCs向软骨分化[26]。滑膜ADMSCs可以分化为表达儿茶酚胺的SNS元样细胞，以治疗实验性关节炎[27]。

2.3 ADMSCs通过SNS改善心梗 ADMSCs移植是改善心肌梗死后心脏功能的一种有前途的新疗法，与单独的ADMSCs相比，正丁基苯酞灌注的ADMSCs移植通过磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/糖原合成酶激酶-3β依赖性途径，改善了ADMSCs植入存活、减弱了SNS过度神经支配和心律失常，表明正丁基苯酞预处理和ADMSCs之间达到了协同作用[28]。

3 SNS及其神经递质对其他MSCs的调控

3.1 SNS及其神经递质对毛囊干细胞的调控 当交感神经接近毛囊干细胞时，成束的神经内膜仅在面向毛囊干细胞的一侧打开，将神经纤维暴露于毛囊干细胞，从而更好地增强神经递质向毛囊干细胞的扩散。这表明交感神经支配毛囊外隆起区和毛胚层中的毛囊干细胞。在没有交感神经信号的情况下，毛囊干细胞通过下调细胞周期和代谢同时上调静止调节因子Foxp1和Fgf18进入深度静止。在发育过程中，毛囊干细胞后代会分泌Sonic Hedgehog来指导竖毛肌交感神经干细胞巢的形成，进而控制毛囊的再生[29]。研究发现动物眼睛受光刺激后，可导致毛囊干细胞的快速激活，具有突出的毛发再生作用[28]。这种机理是：光信号由M1型本征光敏视网膜神经节细胞传导，其通过黑视蛋白向视交叉上核发信号。随后，立即激活传出SNS，增加皮肤中NE的释放，促进刺猬蛋白信号激活毛囊干细胞。因此，外部光可以通过视网膜神经节细胞-视交叉上核-SNS通路直接调节组织干细胞。由于SNS的激活不限于皮肤，该通路还可以促进对其他稳态组织中的外部光的快速适应性反应[28]。

3.2 SNS及其神经递质对肌卫星细胞的调控 骨骼肌卫星细胞是肌肉稳态和修复的关键干细胞，有研究发现β1-AR和β2-AR在C2C12细胞(卫星细胞系)中表达，连续暴露在异丙肾上腺素中，C2C12细胞分化和成肌细胞融合都受到抑制。连续单剂量异丙肾上腺素增加C2C12细胞中的β1-AR表达。异丙肾上腺素的持续暴露部分地通过蛋白激酶A-细胞外信号调节激酶1/2-Forkhead转录因子信号传导途径抑制肌卫星细胞分化和成肌细胞融合，其与β2-AR降低和β1-AR增加水平相关[30]。同时研究发现老年小鼠骨骼肌交感神经活性降低，交感神经活性可能是构成卫星细胞干细胞巢的成分之一，β2-AR激动剂克伦特罗可能通过稳定卫星细胞微环境中的交感神经活性而促进老年小鼠骨骼肌损伤的修复[31]。

3.3 SNS及其神经递质对肠上皮干细胞的调控 肠上皮干细胞位于组织的隐窝内并负责更新和生长[32]。SNS相关的α2A-AR和副交感神经相关的毒蕈碱乙酰胆碱受体亚型M1和M3也在肠上皮干细胞中表达，并且控制肠上皮细胞增殖[33]。SNS神经末梢密集地集中在肠上皮干细胞所在的隐窝的基部，而副交感神经与肠上皮细胞直接接触突触。SNS和副交感神经与肠神经系统的神经元形成突触联系。自主神经系统的任一分支的手术或化学消融，SNS或副交感神经导致自主神经递质的体内来源缺乏，由此改变了肠上皮隐窝细胞的增殖。松果腺抑制肠上皮干细胞的增殖速度，可能是通过松果体与下丘脑之间的直接联系，或下丘脑与迷走神经和肠道交感神经支配之间的联系，或自主神经支配对肠隐窝丛活动与隐窝相关的影响。这种增殖可能是通过α2-AR调节的。另外，NE或乙酰胆碱的应用降低了肠上皮类器官中细胞周期进程所必需的细胞周期蛋白D1的表达。有意思的是，研究发现SNS和副交感神经去神经化后，可能对肠上皮干细胞的长期影响效果并不明显。

4 小结

交感神经系统是间充质干细胞微环境、干细胞巢/壁龛的重要组成部分，其通过去甲肾上腺素等等神经递质调节间充质干细胞或其微环境的生物活性。创伤、应激甚或白昼节律等通过交感神经系统，在多条信号通路影响着间充质干细胞的增殖和分化能力，对心肌梗死修复、肾衰、骨关节疾病和糖尿病、肥胖等疾病，以及对血液系统疾病、免疫功能等，不同阶段和状态起着不同的作用。干细胞的研究和应用方兴未艾，但由于机体本身的复杂性，间充质干细胞不同种类、部位，甚或不同阶段、疾病状态，交感神经系统对干细胞的影响都不一样。因此研究其影响机制，明确最佳的微环境、刺激模式、动员、增殖、分化方向、修复效果等等是全面认识交感神经系统调控间充质干细胞的主要和关键的内容，以期为机体延缓衰老、控制疾病、修复甚至再生损伤组织提供充分的科学依据。