最前沿丨解讀幹細胞三大機制：（二）旁分泌

隨著新冠肺炎的全球蔓延，以幹細胞為主的一系列科技攻關項目受到社會各界廣泛關注，幹細胞技術在這次疫情中展示了優秀療效，並得到國家和政府的大力支持。

本系列撰文《幹細胞的三大機制》將為大家解讀幹細胞對抗疾病的背後機理，看幹細胞如何運用它的多向分化、旁分泌、歸巢性三大機制來對抗疾病，發揮更有效的臨床應用，讓我們一起探索幹細胞的背後秘密。

如果說，「幹細胞變成什麼，從而達到治療效果」是幹細胞的多向分化機制在發揮作用，那「幹細胞釋放什麼，從而達到治療效果」就對應了幹細胞另一個重要機制——旁分泌（Paracrine）。

神奇的旁分泌機制，讓幹細胞如同身體裡的「分布式發電站」，在適宜的時機，適宜的地點，將各種類型的因子，以發散的模式向外運輸，發揮幹細胞的積極功能。例如：

幹細胞分泌VEGF，能夠促進血管的新生，重塑血管；
幹細胞分泌IL-6，能夠調節免疫平衡，抑制炎症；
幹細胞分泌SDF，能夠抑制細胞的凋亡，保持年輕狀態；
幹細胞分泌FGF，促進成纖維細胞新生，改善肌膚狀態。

接下來，讓我們一起了解：旁分泌能分泌哪些因子，又分別能做什麼？旁分泌機制能夠幫助幹細胞在哪些疾病裡起到輔助作用？如何達到最佳的旁分泌效果？以及與旁分泌有關的諾貝爾獎技術——外泌體（exosome）？

一、旁分泌到底能分泌些什麼？

幹細胞的旁分泌效應，能夠表達、合成、分泌各類生長因子、細胞因子、調節因子、信號肽等多種生物活性分子，調節代謝、免疫、細胞分化、增殖、遷移、營養、凋亡等活性因子，並通過這些因子平衡了機體的內穩態，為幹細胞免疫調節、抗凋亡等提供了適宜的環境。

 

按照各個生物活性因子的主要功能分類，可以分為如下4種類型，如下表1總結所示[1]。

01 ／ 生長因子

幹細胞可以分泌促血管生成素1/2（angiopoietin-1/2，Ang 1/2），血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），胎盤生長因子（placental growth factor，PGF），成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，FGF），血小板生長因子（platelet derived growth factor，PDGF），表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF），轉化生長因子（transforming growth factor-b，TGF-b），胰島素樣生長因子（insulin-like growth factor，IGF），生長激素（growth hormone，GH）和肝細胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF）等在內的多種生長因子。上述幹細胞分泌的生長因子能夠主要參與調節細胞繁殖、支持、存活、遷移、分化等多種細胞反應，為組織再生和器官修復提供適宜的微環境。

 

△ 間充質幹細胞可通過一系列機制調節炎症

如VEGF、FGF、Ang1/2、HGF、PGF、PDGF和TGF-b等參與血管生成，促進血管內皮和平滑肌細胞的增殖和遷移，並促進缺血性血流恢復和血管重塑。IGF、VEGF、HGF等具有抗血管內皮、心肌、腎小管和肝細胞凋亡的作用。HGF除了抗凋亡外，還能促進有絲分裂並通過抑制TGF-b表達抗纖維化。IGF還可以通過PI3K信號通路增強心肌細胞收縮性等。

02 ／ 細胞因子

幹細胞能夠產生白介素家族（interleukin，IL），包括IL-1、IL-2、IL-3、IL-4、IL-6、IL-7、IL-8、IL-10、IL-11、IL-12等，腫瘤壞死因子家族（tumor necrosis factor，TNF），包括TNF-a，和趨化因子，包括巨噬細胞炎症蛋白（MIP-1a）、單核細胞化學趨化蛋白（MCP-1）等多種細胞因子，以及一些細胞因子的受體（配體）。

△ 白介素IL-1對各種免疫細胞及組織系統的作用

上述幹細胞分泌的細胞因子能夠主要參與調節代謝、炎症、細胞凋亡、防禦等過程。

03 ／ 調節肽

幹細胞合成並分泌包括鈉尿肽（natriuretic peptides，NP），包括C型利鈉肽（CNP）、腦鈉素（BNP）和心鈉素（ANP）及其特異性受體等，降鈣素基因相關肽（calcitonin gene-related peptide，CGPR），腎素-血管緊張素系統，內皮素（endothelin，ET）和腎上腺髓質素（adrenomedullin，ADM）等在內的多種調節肽。

上述幹細胞分泌的調節肽能夠主要參與涉及細胞存活與保護、心血管調節等過程，也為組織再生和器官修復提供穩定的內環境，是當前生理功能調節研究中的熱門。

04 ／ 特異性活性因子

幹細胞還產生一些特異性活性因子，不僅調節幹細胞自身的存活、遷移、歸巢和增殖等過程，還調節靶組織的功能與修復。這些因子包括，幹細胞因子（stem cell factor，SCF），幹細胞衍生因子（stem cell derived factor，SDF），幹細胞衍生的神經幹細胞支持因子（stem cell derived neural stem cell supporting factor，SDNSF）等。

 
△ 幹細胞生長因子抗體SCF

其中，SCF是一種可溶性的生長因子，通過活化c-kit酪氨酸激酶受體發揮抗細胞凋亡作用。SDF是G蛋白偶聯受體CXCR4的配體，幹細胞不僅分泌SDF，還表達CXCR4，兩者配合通過SDF/CXCR4信號通路抑制幹細胞凋亡，並在幹細胞歸巢中發揮重要作用。

二、旁分泌還能做些什麼？

幹細胞分泌的生物活性物質主要參與免疫調節和抗凋亡的過程，但同時有越來越多的證據表明幹細胞分泌的因子，對組織再生和器官修復及其保護作用至少部分也有重要的功能。

 

幹細胞的旁分泌效應，影響了血管細胞的增殖、遷移、粘附和細胞外基質的形成等多個血管生成的環節。

 

小鼠尾靜脈注射幹細胞，可以分泌因子，募集內皮細胞至小鼠後肢缺血區，促進血管生成，明顯改善缺血後肢的狀況。進一步研究發現，注射幹細胞後可以上調FGF和VEGF的表達，增加血管數目，減輕肌肉萎縮及纖維化[2]。

 

△ 源自骨髓的基質細胞表達編碼多種動脈生成細胞因子的基因，並通過旁分泌機制促進體外和體內動脈生成

幹細胞的旁分泌效應，參與了腎臟保護。靜脈注射幹細胞的培養液，可以減輕腎小球細胞凋亡和腎臟損傷，提高存活率，提示幹細胞可以通過其分泌功能減輕急性腎臟損傷[3]。

 

幹細胞分泌的SDF可以通過和CXCR4配合，參與心肌保護。在體外，幹細胞分泌的VEGF、IL-1、FGF、PDGF、IGF和TGF-b可以抑制成年心肌細胞凋亡並改善其收縮性[4]。

靜脈注射幹細胞培養液能明顯減輕D-半乳糖胺所導致的肝細胞空泡變性、壞死和凋亡以及白細胞浸潤和組織結構變形等，提高爆發性肝衰小鼠的存活率，提示幹細胞可以通過分泌功能治療爆發性肝衰竭，保護肝臟[5]。

 

△ 間充質幹細胞衍生的分子逆轉性暴發性肝衰竭

靜脈注射幹細胞可以通過分泌BNP，減輕水腫而明顯減輕腦缺血後神經功能障礙。體外將間充質幹細胞和海馬組織共孵育，可以減輕氧和葡萄糖缺乏所致的神經細胞死亡和腦部微結構損傷，實現對神經系統的保護[6]。

 

由此看出，幹細胞的分泌功能會影響幹細胞所在組織器官的結構、功能及其病理狀態下的修復，是幹細胞改善靶器官功能、抗凋亡、抗炎等療效的重要機制之一。

三、如何讓旁分泌發揮最佳效果？

幹細胞在運用具體機制，發揮各種作用的時候，並不是一個靜止的過程，而是處於複雜的人體環境之中，會受所處的微環境、性別、年齡，其他生長因子、激素等諸多因素調節，而這些都會影響旁分泌達到最佳效果。

△ 微環境對間充質幹細胞旁分泌信號傳導的影響：設計治療效果的機會

比如缺血、缺氧。缺氧會刺激幹細胞分泌血管內皮生長因子，抑制成骨功能。缺血會刺激幹細胞分泌血管內皮生長因子、神經細胞生長因子和肝細胞生長因子。

比如性別、年齡。性別可以影響幹細胞的分泌功能強弱，分離自雌性、雄性小鼠的幹細胞雖然都可以被脂多糖活化，但雌性幹細胞被脂多糖活化後VEGF分泌上調得更明顯。雄性幹細胞被脂多糖影響而使得TNF-a的分泌抑制更明顯。

年輕來源的幹細胞被刺激後，相關基因的上調明顯高於老齡組，而這些正是圍產組織幹細胞效果卓越的核心因素。

 

當然，幹細胞還能夠結合基因編輯技術。如轉錄因子E2F1是調節間充質幹細胞旁分泌機制的重要靶點，敲除E2F1能夠上調間充質幹細胞旁分泌細胞因子中的VEGF和TGF-b的表達，促進成纖維細胞的增殖和遷移，促進內皮細胞成管。敲除E2F1的間充質幹細胞能夠更好地促進小鼠創面血管化和膠原沉積，加快創面癒合。

四、「C位出道」——ESO外泌體

幹細胞的旁分泌效應其實是一個大的概念，都屬於幹細胞的分泌組，如下圖所示[7]，分泌組包含三部分：旁分泌（小於10 nm），外泌體（40-120 nm）和微囊泡（200-1000 nm）。

 

一般情況下，我們聊到幹細胞的旁分泌效應，指的就是幹細胞的分泌組，即幹細胞可以依據生物活性因子的大小，匹配合適的分泌方式，直到1983年，幹細胞分泌組中的外泌體突然C位出道，備受矚目。

 

1983年，外泌體首次於綿羊網織紅細胞中被發現，1987年，Johnstone將其命名為"exosome"。起源於細胞內吞過程中形成的內體，最後再從細胞中釋放到胞外，是一類直徑40-120nm，具有完整膜結構的細胞外囊泡，富含RNA和蛋白質，主要負責細胞間的物質運輸和信息傳遞。

△ 外泌體的電鏡照片

同作為細胞間的一種通訊方式，只是相比於擴散的方式，外泌體更像一對一「同城閃送」，裝著miRNA，mRNA和lncRNA，還有細胞因子等，或許還有點DNA，分泌出細胞外，再接著進入另一個細胞，交貨完成訂單。

 

外泌體的C位出道，一方面是因為外泌體臨床應用非常多，比如用於腫瘤診斷和治療，作為藥物的良好載體等等。當然，這些應用也只是外泌體應用的冰山之一角。

另一方面是隨著幹細胞體外培養技術的推廣，幹細胞外泌體作為高科技概念產品能夠迅速在美容養顏領域風靡，引來全球注目。

綜上所述，幹細胞是廣泛存在於機體各種組織的，具有多項分化和旁分泌機制的細胞體系，其旁分泌效應能夠產生多種生長因子、細胞因子、調節肽以及幹細胞特異性歸巢和營養因子等生物活性因子，所分泌的上述物質能夠在局部形成複雜的生物活性因子網絡，並受缺血、缺氧、性別和年齡等影響，發揮最佳的效果，促進體內微環境的穩定，為幹細胞組織再生、器官修復、免疫調節、抗凋亡等提供了適宜的環境。

參考文獻：

[1]劉秀華，唐朝樞。幹細胞的旁分泌和自分泌功能[J]。生理科學進展，2008， 39(3):196-202.

[2]Kinnaird T, Stabile E, Burnett MS, et al. Marrow-derived stromal cells express genes encoding a broad spectrum of arteriogenic cytokines and promote in vitro and in vivo arteriogenesis through paracrine mechanisms[J]. Circ Res, 2004, 94:678-685.

[3]Togel F, Hu Z, Weiss K, et al. Administered mesenchymal stem cells protect against ischemic acute renal failure through differentiation-independent mechanisms[J]. Am J Physiol Renal Physiol, 2005, 289:31-42.

[4]Zhang M, Mal N, Kiedrowski M, et al. SDF-1 expression by mesenchymal stem cells results in trophic support of cardiac myocytes after myocardial infarction[J]. FASEB J, 2007, 42:441-448.

[5]Parekkadan B, van Poll D, Suganuma K, et al. Mesenchymal stem cell-derived molecules reverse fulminant hepatic failure[J]. PLos ONE, 2007, 2:e941.

[6]

[7]Gina D Kusuma1, James Carthew, etc. Effect of the microenvironment on mesenchymal stem cells paracrine signalling: opportunities to engineer the therapeutic effect[J]. Stem Cells and Development, 2016, 349:1-42.