间充质干细胞调控细胞自噬机制的研究进展

间充质干细胞调控细胞自噬机制的研究进展
米向斌; 赖宽; 魏姗姗
【期刊名称】《《实用医学杂志》》
【年(卷),期】2019(035)015
【总页数】4页(P2495-2498)
【关键词】间充质干细胞; 外泌体; 自噬; mTOR通路; STAT3通路
【作者】米向斌; 赖宽; 魏姗姗
【作者单位】南方医科大学珠江医院皮肤科广州510280; 南方医科大学南方医院皮肤科广州510515
【正文语种】中文
间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）是一类具有自我更新和多向分化潜能的成体干细胞[1]。

MSC可产生大量生物活性物质，具有调节免疫、激活内源性干/祖细胞、促进组织损伤修复、促进血管新生、抗细胞凋亡以及归巢等多方面的作用，被认为是一种有前景的治疗手段[2]。

MSC在许多疾病治疗中都表现出很好的疗效，特别是血液病、自身免疫性疾病、组织损伤性疾病和退行性疾病，但确切机制尚不完全明确。

自噬是细胞内一种通过溶酶体降解长寿命蛋白和受损细胞器的代谢途径，在细胞应激过程中起到了重要作用。

MSC是近年来广为研究的新治疗手段，在自噬调控过程中的作用机制仍在探索。

本文就MSC对宿主细胞自噬的调控机制作一综述，为其基础研究与临床应用提供参考。

1 MSC与细胞自噬
自噬是真核生物特有的溶酶体介导的分解代谢过程，分为巨自噬、分子伴侣介导的自噬和微自噬3种[3]。

目前巨自噬研究较清楚，mTOR通路、JNK/Bcl-2/Beclin 1通路、IP3和细胞内Ca2+都可以调控巨自噬的活性[4]。

巨自噬是一种具有高度选择性的降解过程，其中热休克蛋白70（HSP70）在其途径中发挥着重要作用。

微自噬是将胞质直接吞入溶酶体，其分子机制与调控及对人类疾病的影响尚不完全清楚。

Atg8家族蛋白是细胞自噬过程中重要的适配器蛋白，广泛分布于自噬体的内外膜上，参与了细胞自噬过程中的许多关键步骤，比如自噬体的形成、成熟、招募降解底物等[5]。

Atg8（在哺乳动物中的同系物是LC3蛋白）的羧基末端被蛋白酶Atg4B切割后形成胞质蛋白LC3-Ⅰ，LC3-Ⅰ进一步被磷脂酰乙醇胺脂化为
LC3-Ⅱ，通常由LC3-Ⅱ与LC3-Ⅰ的比值可以评价自噬的活化程度[6]。

在不同来源的MSC治疗疾病的过程中，自噬都发挥着重要的作用。

有学者[7-8]在用脂肪间充质干细胞（adipose-derived mesenchymal stem cells，ADSC）移
植治疗烧伤引起的神经性疼痛大鼠模型中发现，ADSC能明显缓解大鼠的疼痛，并且降低大鼠灰质后角细胞中Beclin 1、LC3-Ⅱ的表达和自噬体数量。

骨髓间充质
干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSC）通过激活自噬而减
轻INS-1细胞慢性高葡萄糖诱导的损伤和降低人肺微血管内皮细胞中缺血再灌注
损伤（ischaemia/reperfusion-induced injury，IRI）的严重程度[9]。

LI等[9]通过体内研究验证了上述结论：BMSC可通过自噬促进T2D大鼠胰腺损伤的恢复和
降低C57BL/6J小鼠肺IRI的严重程度。

脐带来源的间充质干细胞（umbilical cord mesenchymal stem cells，ucMSC）可作用于线粒体而调控T淋巴细胞自
噬活性[10]。

此外，人脐带间充质干细胞（hucMSC）来源的外泌体（exosomes，Ex）通过自噬而减缓顺铂诱导的急性肾脏损害[11]。

目前越来越多的研究[12-13]表明，MSC治疗关键点主要是旁分泌机制，而不是
MSC本身。

外泌体是起源细胞释放的携带其特征表面抗原的小囊泡，是细胞间的
旁分泌机制。

外泌体可通过转移RNA、蛋白质和生物活性脂质在细胞间作用中发
挥关键作用，而且由于避免了干细胞移植可能导致的病理分化或肿瘤，外泌体在移植治疗中可能比干细胞更有优势[13]。

2 MSC移植对细胞自噬的调节作用
MSC可通过多条通路调节宿主细胞自噬，主要包括mTOR通路、STAT3通路和HO-1通路。

MSC亦可通过自噬调控Aβ和α-突触核蛋白而对神经退行性疾病起
到治疗作用。

2.1 mTOR通路 mTOR是细胞内一类丝/苏氨酸蛋白激酶，是细胞生长、新陈代谢、衰老的中心控制器，在自噬调节方面起着重要的作用[14]。

mTOR通路可通过以
下途径调控巨自噬的活性：（1）在营养丰富的条件下，Ragultor作用于RHEB
而激活mTORC1，mTORC1激活可抑制巨自噬激活；（2）低ATP/AMP比例可激活AMPK复合物，进一步活化TSC1/TSC2而抑制RHEB，在这种情况下mTORC1被抑制而巨自噬启动；（3）下降的PI3KI/Akt可间接失活mTOR而启
动巨自噬[15]。

JIANG等[16]在ADSC与大鼠软骨细胞共培养时发现：ADSC可降低大鼠软骨细
胞mTOR、p-mTOR、p62的表达，增加LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ的比率和自噬体的数量
而抑制其促炎因子的分解代谢。

也就是说，ADSC可通过mTOR通路介导的自噬
来调控软骨细胞促炎因子水平。

ZHOU等[17]用ADSC移植治疗膝关节炎模型鼠
时发现：ADSC可降低炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α，上调LC3-Ⅱ，下调p62、Akt、p-Akt、p-CAMKⅡ、CAMKⅡ、p-Smad1、Smad1的表达。

ADSC可能
通过p-Akt/Akt、p-CAMKⅡ/CAMKⅡ、p-Smad1/Smad1信号通路调控自噬活性而抑制软骨损伤和细胞凋亡。

MSC移植在肺脏、脑IRI中也有一定的疗效。

LI等[9]在MSC移植治疗肺IRI的过
程中发现：MSC移植可增加宿主细胞PI3K classⅢ的表达，上调 LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ的比率，降低p62、PI3K classⅠ、p-Akt的表达；PI3K classⅢ作用于Beclin 1增加自噬活性，而PI3K/Akt可负性调控自噬活性。

也就是说，MSC移植可通过PI3K/Akt或PI3K classⅢ/Beclin 1调控自噬活性。

在另一个LPS诱导的急性肺损伤小鼠模型中，MSC可通过下调肺内皮细胞中miR-142a-5p而调控Beclin 1介导的细胞自噬，从而逆转小鼠肺部损伤[18]。

HE 等[19]研究发现MSC可通过抑制PI3K/Akt/mTOR通路而启动自噬，最终延缓脑IRI的进展。

2.2 STAT3通路 STAT3与细胞能量代谢和细胞死亡密切相关，PKR与多种感染有关，STAT3抑制或缺乏可激活PKR而磷酸化eIF2α，此过程在感染性疾病中发挥着重要作用。

一项关于原发性胆汁胆管炎的体外研究[20]发现，hucMSC可降低宿主细胞炎症因子水平，增加自噬活性。

人肝内胆管上皮细胞与hucMSC共培养后，LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比率升高，p62、STAT3和p-STAT3表达下降；在沉默肝内胆管上皮细胞的STAT3后，无论是否与hucMSC共培养，两组p-eIF2α、PKR 均表达上升，提示hucMSC可通过STAT3/PKR/eIF2α通路而启动自噬。

2.3 HO-1 HO-1是一种应激诱导型酶，具有抗炎、抗细胞凋亡、抗氧化的潜力，HO-1可通过调节氧化应激预防肝IRI。

WANG等[21]在BMSC移植治疗肝IRI的研究中发现，BMSC可通过HO-1增强自噬活性而对肝脏IRI起到保护的作用。

研究中用3-甲基腺嘌呤抑制自噬、锌原卟啉IX抑制HO-1，3-甲基腺嘌呤和锌原卟啉IX两者均可阻断BMSC对自噬的作用。

BMSC可通过HO-1介导的自噬来保护肝脏免受IRI。

2.4 α-突触核蛋白α-突触核蛋白是一种在中枢神经系统突触前及核周表达的可溶性蛋白质，是路易小体的主要成分，与帕金森病的发病机制和相关功能障碍密切相关。

α-突触核蛋白异常积累是由于tau磷酸化诱导的轴突运输缺陷引起的，是造成黑质多巴胺能细胞损失的主要原因。

OH等[22]研究发现MSC可通过调控自噬
相关的tau磷酸化，缓解微管依赖性轴突运输障碍来减少α-突触核蛋白的积累，
从而发挥神经保护作用。

总而言之，MSC可能通过增强神经元细胞自噬的活性来
减少其α-突触核蛋白的累积，最终神经元细胞存活增加，帕金森病情好转。

2.5 β-淀粉样蛋白（amyloid β-protein，Aβ）Aβ是由36～43个氨基酸组成的
多肽，由BACE1/β-分泌酶和γ-分泌酶对淀粉样蛋白前体蛋白连续蛋白水解而成，Aβ积聚是阿尔兹海默症（Alzheimer's disease，AD）发病的基础。

XU等[23]用小胶质细胞与ucMSC共培养时发现，小胶质细胞中LC3Ⅱ、Beclin-1、Aβ降解
酶IDE和Nep的表达升高，Aβ25-35减少，细胞凋亡减少，结果表明ucMSC可通过调控自噬来保护小胶质细胞免受Aβ25-35诱导的细胞损害。

综上可知，MSC 移植可增强AD模型中自噬活性和Aβ的清除，最终神经元细胞存活增加，疾病本身得到缓解。

3 MSC来源的外泌体对自噬的调节作用
MSC来源的外泌体可通过mTOR通路、p53-Bnip3通路调控宿主细胞自噬，从
而对疾病起到治疗作用。

但是由于目前的研究有限，外泌体与MSC移植的作用机制或疗效的差异仍是一个谜团，有待进一步的研究。

3.1 mTOR通路 WANG等[11]在大鼠肾上皮细胞与hucMSC-Ex共培养时发现，hucMSC-Ex可增加NRK-52E中肾上皮细胞的表达，并上调自噬相关基因atg5、atg7。

此外，体内研究显示：hucMSC-Ex移植对肾毒性大鼠模型有治疗作用，可下调肾脏组织中mTOR、p-mTOR及其下游p70S6K和4EBP1蛋白的表达[11]和炎症因子TNF-α，促进IL-1β、NF-κB-P65的分泌。

由此可以推测hucMSC-Ex
可通过mTORC1通路介导的自噬来缓解大鼠肾脏损害。

EBRAHIM等[24]用
MSC-Ex治疗糖尿病肾病大鼠：相对于正常对照组，糖尿病肾病大鼠的mTOR通
路被激活，而自噬被抑制；MSC-Ex移植治疗后可降低mTOR、S6K1和p62的
表达，升高LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ的比率，同时降低炎症因子TGF-β，说明MSC-Ex可
通过mTOR通路调控自噬而治疗糖尿病肾病。

此外，LIU等[25]用MSC-Ex移植治疗心肌IRI模型鼠中发现，MSC-Ex可通过AMPK/mTOR、Akt/mTOR通路调控心肌细胞自噬来治疗心肌IRI。

3.2 p53-Bnip3 p53基因是一种典型的肿瘤抑制基因，能调控细胞增殖和凋亡，Bnip3是Bcl2/腺病毒E1B-19 kDa蛋白相互作用蛋白3，这两个都是已知的自噬激活剂。

p53、Bnip3在小鼠心肌梗死模型中表达升高，MSC-Ex与分离的心肌细胞共培养后可降低心肌细胞p53、Bnip3的表达以及自噬泡、自噬溶酶体数量，说明MSC-Ex可通过p53-Bnip3而调控自噬活性[26]。

XIAO等[26]研究发现MSC-Ex中富含miR-125b-5p，而miR-125b-5p的靶基因是p53。

在缺氧和血清剥夺培养的新生小鼠心肌细胞中，自噬通量、细胞死亡和p53-Bnip3信号通路活性增加；当细胞与MSC或MSC-Ex共培养时，信号通路活性和自噬相关指标下降，但是当外泌体抑制剂（GW4869）作用于心肌细胞时，这些改变会消除，也就是说MSC是通过旁分泌机制（外泌体）介导的p53-Bnip3通路调控心肌细胞自噬。

在随后的MSC-Ex移植治疗心肌梗死模型鼠中，得到了与体外实验相似的结果，也就是说MSC-Ex可通过自身携带的miR-125b-5p作用于p53-Bnip3通路而调控心肌细胞自噬。

4 MSC研究与应用现状
MSC移植已广泛应用治疗白血病等血液系统疾病，在系统性红斑狼疮等免疫疾病中也得到了不错的疗效[27]。

MSC移植已用于治疗心肌梗死、难治性糖尿病、肢体缺血性疾病患者的临床试验并得到了好的疗效，在肿瘤、神经系统修复、肺部损伤等方面的研究暂时仍在动物实验阶段，未应用在临床。

MSC是治疗心脏疾病最有潜力的手段，移植后可归巢到损伤的心肌部位，并根据微环境的不同分化表达肌球蛋白、肌动蛋白或肌钙蛋白等；亦可分泌细胞因子，如心血管生长因子，发挥修复损伤心肌的作用。

STRAUER等[28]用MSC移植治疗
慢性心肌梗死患者，结果显示患者心肌梗死面积减少30%，左心室射血分数增加15%，而对照组未见明显变化。

MSC移植对难治性糖尿病或合并严重并发症的患者也有好的疗效[29]，其作用机制可能为：（1）MSC分泌多种细胞和生长因子；（2）MSC直接或促进胰腺导管上皮内的胰腺干细胞分化为B细胞。

BHANSALI 等[30]的一项随机双盲的临床研究选取20例难治性2型糖尿病患者，随机接受MSC和安慰剂，结果显示MSC移植组胰岛素用量显著下降，且胰岛素C肽水平显著提高。

此外，MSC移植可诱导缺血区血管的发生、增加毛细血管的密度和血流量。

AMANN等[31]用BMSC移植治疗严重肢体缺血患者，纳入标准为最大保守治疗失败需要截肢者，移植后6个月时可使59%患者免于截肢，但此方法仍处于临床试验阶段，需要更多的临床试验才能获得推广。

5 展望
MSC移植作为一种颇有前景的治疗手段，迄今为止，已经在全世界范围内开展了881项临床实验研究。

然而令人遗憾的是，其具体的作用机制尚不完全明确。

自噬是真核细胞中重要的物质降解过程，在MSC治疗过程中也发挥着重要的作用。

目前对于MSC移植过程中自噬的调控机制正在被逐渐认识和解析，但具体的分子机制仍不是十分清楚，进一步研究自噬及其相互作用，将有助于深入了解MSC的治疗机制，也为其应用于临床提供实验室基础。

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