炎性環(huán)境與間充質干細胞自噬相互影響關系的研究進展

李程豪，劉永琦,2，駱亞莉，伍志偉

(甘肅中醫(yī)藥大學 1.甘肅省高校重大疾病分子醫(yī)學與中醫(yī)藥防治研究省級重點實驗室、2.敦煌醫(yī)學與轉化省部共建教育部重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

間充質干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)具有易于體外分離及擴增、免疫原性低、腫瘤趨向性及易于導入各種基因的優(yōu)良特性[1]，已成為多個領域細胞替代治療和組織工程學首選的種子細胞[2]。多個研究證明，MSCs在受到炎癥等應激因素的刺激下，可能出現細胞器及DNA的損傷，且增殖及分化能力出現異常改變[3]。這些損傷和改變將對MSCs的應用研究造成較大影響，并為其廣泛推廣于臨床提出了挑戰(zhàn)。細胞自噬是指細胞利用溶酶體降解自身細胞質和細胞器的過程,其被視為清除廢物、重新合成的有效替代途徑，對維持細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)十分重要[4]。自噬是一種廣泛存在于真核細胞中的自我調節(jié)機制，一方面，炎癥能夠誘導細胞自噬的發(fā)生，并幫助細胞應對外界刺激、維持細胞內環(huán)境穩(wěn)定[5]，調節(jié)細胞生理過程[6]；另一方面，被激活的自噬作用可以通過調節(jié)細胞的旁分泌功能，對細胞外炎性環(huán)境進行調節(jié)[7]。但目前對于炎性環(huán)境與自噬相互作用將如何影響炎性環(huán)境中的MSCs尚不清楚，本文將圍繞炎性環(huán)境、自噬以及MSCs三者相互作用、相互影響的關系進行討論。

1 炎性環(huán)境與MSCs

1.1MSCs在炎癥疾病防治中的應用當局部炎癥或損傷發(fā)生時，炎性細胞所釋放出的大量黏附分子和趨化因子能夠趨化MSCs循環(huán)到炎癥部位[8]。Wang等[7]在損傷的腦組織周圍發(fā)現大量被趨化的MSCs。依靠干細胞的趨化特性，MSCs常被作為靶向抗癌藥物載體運用于腫瘤生物治療研究中[9]。除此之外，鑒于MSCs自我更新及多向分化能力，研究人員通常將MSCs移植到機體損傷、炎癥部位，研究其對炎癥損傷組織的修復效果。被定植于腸道受損部位的MSCs通過促進損傷局部微循環(huán)重建等途徑，對炎癥性腸病腸道的炎癥損傷組織進行修復[10]。移植于骨關節(jié)炎局部的MSCs能夠有效地參與被炎癥損傷的軟骨、肌肉、骨骼再生[11]。因此，MSCs在損傷和炎癥相關疾病的治療中表現出良好的應用前景。

1.2炎性環(huán)境對MSCs應用的影響盡管MSCs在損傷和炎癥相關疾病的治療中具有極大的應用意義，但同時也面臨著炎癥對其本身的生物學功能影響提出的挑戰(zhàn)。課題組前期研究發(fā)現,干細胞生存的微環(huán)境異常改變可誘發(fā)MSCs發(fā)生增殖異常、形態(tài)改變及遺傳穩(wěn)定性的變化[12]。近期研究發(fā)現，炎性環(huán)境可使骨髓間充質干細胞(bone mesenchymal stem cells，BMSCs)出現惡性轉化或分化為腫瘤相關成纖維細胞(tumor-associated fibroblasts，TAFs)等異常分化情況[13]。因此，深入了解炎性環(huán)境對MSCs生物學特性的影響，規(guī)避不良的風險因素，將有利于MSCs更安全有效地應用于組織工程及再生醫(yī)學領域。

2 炎性環(huán)境對MSCs自噬的影響

不管在生理狀態(tài)還是病理狀態(tài)下，細胞均有自噬的發(fā)生。眾多研究報道顯示，多種脅迫環(huán)境能夠誘導細胞自噬發(fā)生，而在炎性環(huán)境中，炎性因子是引起MSCs自噬變化的重要因素之一。炎癥會造成損傷細胞器及活性氧(reactive oxygen species，ROS)的產生和堆積，并成為激活細胞自噬活性的重要條件[14]。實驗性自身免疫性腦脊髓炎相關炎性因子對小鼠骨髓來源MSCs自噬有激活作用，并通過自噬促使MSCs生物學功能發(fā)生改變[15]。在炎性因子IFN-γ的干預下，人胎盤胎兒側來源 MSCs 胞內自噬小體的形成明顯增多[16]。INF-γ可以通過IRF-1信號通路誘導自噬的發(fā)生，在此過程中，不但有與炎癥密切相關的JAK、STAT等關鍵轉錄蛋白的激活，還有PI3K-mTOR自噬相關信號通路參與[17]。在IFN-γ和TNF-α模擬炎性環(huán)境聯合干預下，MSCs自噬相關蛋白的表達明顯增強[18]。在炎性環(huán)境中，炎性因子可以通過對多條炎性信號通路的調節(jié)，來實現對自噬的調控作用。TLR4/NF-κB通路能夠同時參與炎癥與自噬的調節(jié)[19]，而PI3K、Akt、ERK等炎性信號通路均是調控細胞自噬的關鍵通路[20]。由此可見，炎癥相關的炎性因子與MSCs自噬的發(fā)生關系密切，并在一定程度上可誘發(fā)其自噬作用增強。

但是，炎性環(huán)境對細胞自噬的調節(jié)是雙重性的：過度的炎性刺激將加速細胞的凋亡，而凋亡信號的激活會抑制自噬的發(fā)生[21]，見Fig 1。從炎癥組織提取的頜骨骨髓間充質干細胞(jaw of bone marrow mesenchymal stem cells, JBMMSCs)相較于正常組織來源的JBMMSCs的自噬明顯較弱[22]。造成這一現象的原因可能與炎癥干預時間有關，同時與炎性環(huán)境中炎性因子的濃度也有一定相關性。當促炎因子TNF-α 短時間作用于JBMMSCs時，其自噬水平升高；但當用TNF-α持續(xù)干預時，細胞的自噬現象逐漸消失，凋亡更明顯[23]。

Fig 1 Double meaning of inflammation to autophagy

3 自噬對炎性環(huán)境中細胞旁分泌的影響

一方面，炎性環(huán)境可以誘導細胞自噬發(fā)生，通過對受損細胞器及蛋白的吞噬產生能量，提高細胞自身在特殊環(huán)境中的穩(wěn)定性；另一方面，自噬也可以通過對細胞旁分泌的改變來影響所處炎性環(huán)境中細胞因子組成，進一步減少環(huán)境對細胞的刺激[7]。通過對小鼠小腸上皮細胞自噬的激活，在腸黏膜炎癥反應減弱的同時，上皮細胞所分泌的促炎因子TNF-α、IL-6的降低也十分明顯[24]。提示細胞自噬不僅可以維持本身在炎性環(huán)境中的相對穩(wěn)態(tài)，還能通過調節(jié)細胞炎性因子的分泌來發(fā)揮對炎癥的負向調控作用。自噬基因敲除后的小鼠出現自發(fā)性無菌性肺部炎癥，局部炎性小體與血清中炎性因子IL-18均異常增多[25]。當細胞的自噬通道被阻斷時，免疫細胞對IL-6和IL-1β等促炎因子的分泌有所增加，促進炎癥發(fā)生[26]。提示自噬在細胞炎性因子的分泌過程中起重要作用。通過以上研究可以發(fā)現，自噬對炎性環(huán)境中細胞的旁分泌調節(jié)對炎癥相關疾病是有積極意義的。

4 炎性環(huán)境與MSCs自噬的相互調節(jié)機制

如前文所述，炎性環(huán)境能夠對自噬起到調節(jié)作用[20]，而細胞自噬也能夠通過細胞旁分泌對炎性環(huán)境進行調控[26]，因此，自噬與炎性環(huán)境之間的相互作用形成了一種反饋調節(jié)的機制(Fig 2)。炎性環(huán)境具有誘導細胞自噬的功能，這是細胞在處于這種特殊環(huán)境中的一種應激反應；當自噬強度在炎癥的誘導因素下增強時，其能夠通過炎性信號通路的調節(jié)及細胞旁分泌的影響，使細胞所處的炎性環(huán)境發(fā)生改變[27]。近年來研究顯示，細胞可以通過Toll 樣受體(Toll-like receptor，TLR)病原相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns，PAMP)促進炎性因子分泌，激活適應性免疫應答；在炎癥反應被誘發(fā)的同時，TLR族信號分子可以激發(fā)細胞自噬，而細胞自噬對TLR信號和炎癥反應有負向調控作用[14](Fig 3)。因此，細胞自噬的變化與炎癥疾病的發(fā)生有密切聯系。這種反饋-調節(jié)作用在自噬與炎性環(huán)境之間形成一個完整的網絡關系，為我們進一步充分了解MSCs在炎性環(huán)境中的生理病理狀態(tài)，以及自噬在其中的關鍵作用打下基礎。

Fig 2 Regulatory effect between autophagy and inflammatory environment

Fig 3 Relationship between inflammation and autophagy in pathogen-associated molecular patterns

5 小結與展望

綜上所述，我們認為，炎性環(huán)境對MSCs的自噬作用具有雙重性。一方面，炎癥因素誘導細胞自噬作用增強，使細胞維持相對穩(wěn)態(tài)[14]；另一方面，過度的炎性刺激會增加細胞凋亡，反而抑制自噬作用[23]。當自噬被炎性因素激活時，其能夠通過旁分泌以及對TLR相關信號通路的調控，來影響外環(huán)境細胞因子的組成，從而達到對炎癥的負調控作用[27]。因此，炎性環(huán)境與自噬之間的相互作用形成了反饋-調節(jié)的模式。

適度的自噬是細胞應對炎癥刺激的自我調節(jié)手段之一，不但能夠協助維持特殊環(huán)境中MSCs的相對穩(wěn)態(tài)，還能進一步對細胞外環(huán)境進行調節(jié)[27]。因此，全面、深入地了解自噬發(fā)生、發(fā)展的特點及其與炎性環(huán)境間的相互關系，對探索MSCs在炎性環(huán)境中的生理病理狀態(tài)、維持其生物形狀穩(wěn)定具有重要意義。如何合理利用MSCs的自噬作用，對其在炎性環(huán)境中的存活以及在臨床上的應用至關重要，值得我們進一步探討。通過自噬強度的調控，將是協助干細胞在臨床應用中面對炎性環(huán)境更好發(fā)揮治療作用的重要途徑。鑒于自噬與干細胞間的關系，依靠炎癥相關的自噬信號通路轉錄因子作為藥物作用靶點，有效地調控特殊環(huán)境中干細胞生物學穩(wěn)定性將是我們未來藥物研究的新方向。

參考文獻：

[1] Stoltz J F, De I N, Li Y P, et al.Stem cells and regenerative medicine: myth or reality of the 21th century[J].StemCellsInt, 2014,2015(11): 1-19.

[2] Jiang Y, Jahagirdar B N, Reinhardt R L, et al.Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow[J].Nature, 2015,418(6893): 41-9.

[3] Liu Y, Wang L, Kikuiri T, et al.Mesenchymal stem cell-based tissue regeneration is governed by recipient T lymphocytes via IFN-α and TNF-α[J].NatMed, 2011,17(12): 1594-601.

[4] 李赫寧,李蘭芳,陳臨溪.內質網自噬——疾病防治的新靶標[J].中國藥理學通報, 2015,31(3): 302-8.

[4] Li H N, Li L F, Chen L X.Endoplasmic reticulum of autophagy—disease prevention and control of new targets [J].ChinPharmacolBull, 2015,31(3): 302-8.

[5] Boya P, Reggiori F, Codogno P.Emerging regulation and functions of autophagy[J].NatCellBiol, 2013,15(8): 713-20.

[6] Zhang H, Gong Y, Wang Z, et al.Apelin inhibits the proliferation and migration of rat PASMCs via the activation of PI3K/Akt/mTOR signal and the inhibition of autophagy under hypoxia[J].JCellMolMed, 2014,18(3): 542-53.

[7] Wang Z, Wang Y, Wang Z, et al.Engineered mesenchymal stem cells with enhanced tropism and paracrine secretion of cytokines and growth factors to treat traumatic brain injury[J].StemCells, 2015,33(2): 456-67.

[8] Arnold K M, Opdenaker L M, Flynn D, et al.Wound healing and cancer stem cells: inflammation as a driver of treatment resistance in breast cancer[J].CancerGrowthMetastasis, 2015,8: 1-13.

[9] Saulite L, Dapkute D, Pleiko K, et al.Nano-engineered skin mesenchymal stem cells: potential vehicles for tumour-targeted quantum-dot delivery[J].BeilsteinJNanotechnol, 2017,8(8): 1218-30.

[10] Dave M, Mehta K, Luther J, et al.Mesenchymal stem cell therapy for inflammatory bowel disease: a systematic review and Meta-analysis.[J].InflammBowelDis, 2015,21(11): 2696.

[11] Hofer H R, Tuan R S.Secreted trophic factors of mesenchymal stem cells support neurovascular and musculoskeletal therapies[J].StemCellResTher, 2016,7(1): 131.

[12] 武有明,張 齊,劉永琦,等.黃芪多糖對肺癌微環(huán)境中BMSCs增殖及TAFs分化的影響[J].中藥藥理與臨床, 2015,31(6): 76-9.

[12] Wu Y M, Zhang Q, Liu Y Q, et al.Astragalus polysaccharide on the proliferation and TAFs differentiation of BMSCs in lung cancer microenvironment influence [J].PharmacolClinChinMaterMed, 2015,31(6): 76-9.

[13] Zhu H, Guo S, Zhang Y,et al.Proton-sensing GPCR-YAP signalling promotes cancer associated fibroblast activation of mesenchymal stem cells[J].IntJBiolSci, 2016,12(4): 389-96.

[14] Zhong Z, Sanchez-Lopez E, Karin M.Autophagy, inflammation, and immunity: a Troika governing cancer and its treatment[J].Cell, 2016,166(2): 288-98.

[15] Dang S, Xu H, Xu C, et al.Autophagy regulates the therapeutic potential of mesenchymal stem cells in experimental autoimmune encephalomyelitis[J].Autophagy, 2014,10(7): 1301-15.

[16] 朱永朝, 李 芳, 韓 飛,等.IFN-γ誘導的自噬抑制人胎盤胎兒側來源間充質干細胞增殖[J].基礎醫(yī)學與臨床, 2016,36(3): 295-300.

[16] Zhu Y C, Li F, Han F, et al.IFN-gamma induced autophagy inhibition of human placenta fetal side between the source of mesenchymal stem cells proliferation[J].BasicClinMed, 2016,36(3): 295-300.

[17] 蔡永青,胡建輝,李小麗.炎癥因子調節(jié)細胞自噬的研究進展[J].免疫學雜志, 2016,32(9): 821-4.

[17] Cai Y Q, Hu J H, Li X L.The research progress of inflammation factors regulating cell autophagy[J].ImmunolJ, 2016,32(9): 821-4.

[18] Han Z, Jing Y, Xia Y, et al.Mesenchymal stem cells contribute to the chemoresistance of hepatocellular carcinoma cells in inflammatory environment by inducing autophagy[J].CellBiosci, 2014,4(1): 22-37.

[19] Martinezoutschoorn U E, Whitakermenezes D, Lin Z, et al.Cytokine production and inflammation drive autophagy in the tumor microenvironment[J].CellCycle, 2011,10(11): 1784-93.

[20] Fan X, Wang J, Hou J, et al.Berberine alleviates ox-LDL induced inflammatory factors by up-regulation of autophagy via AMPK/mTOR signaling pathway[J].JTranslMed, 2015,13(1): 92-7.

[21] Kaminskyy V O, Zhivotovsky B.Free radicals in cross talk between autophagy and apoptosis[J].AntioxidRedoxSignal, 2014,21(1): 86-102.

[22] 安 瑩.自噬調控人頜骨骨髓間充質干細胞旁分泌功能的機制研究[D].西安: 第四軍醫(yī)大學, 2016.

[22] An Y.Autophagy regulation between jaw bone marrow mesenchymal stem cell paracrine function mechanism research[D].Xian: the Fourth Military Medical University, 2016.

[23] 安 瑩, 張立強, 薛 芃, 等.TNF-α對牙周膜干細胞和頜骨骨髓間充質干細胞自噬水平的影響[J].口腔生物醫(yī)學, 2015,6(3): 119-23.

[23] An Y, Zhang L Q, Xue P, et al.TNF-α of periodontal membrane between stem cells and jaw bone marrow mesenchymal stem cell autophagy level influence [J].OralBiomed, 2015,6(3): 119-23.

[24] Negroni A, Colantoni E, Vitali R, et al.NOD2 induces autophagy to control AIEC bacteria infectiveness in intestinal epithelial cells[J].InflammRes, 2016,65(10): 803-13.

[25] Abdel Fattah E, Bhattacharya A, Herron A, et al.Critical role for IL-18 in spontaneous lung inflammation caused by autophagy deficiency[J].JImmunol, 2015,194(11): 5407-16.

[26] Wang W R, Li T T, Jing T, et al.SIRT1 regulates the inflammatory response of vascular adventitial fibroblasts through autophagy and related signaling pathway[J].CellPhysiolBiochem, 2017,41(2): 569-77.

[27] Rodgers M A, Bowman J W, Liang Q, et al.Regulation where autophagy intersects the inflammasome[J].AntioxidRedoxSignal, 2014,20(3): 495-511.