脂肪組織來源干細(xì)胞調(diào)控血管生成的研究進(jìn)展

李 凱，樊 欣 綜述，吳劍波 審校

（西南醫(yī)科大學(xué)藥物與功能性食品研究中心，四川瀘州 646000）

1 脂肪組織來源干細(xì)胞：來源，免疫表型以及生理環(huán)境需求

脂肪組織是具有代謝和調(diào)控作用以及高再生潛能的器官。脂肪組織可以對(duì)生理刺激作出反應(yīng)[1]，如白色脂肪組織對(duì)禁食和進(jìn)食的應(yīng)激反應(yīng)以及棕色脂肪組織對(duì)體溫降低的應(yīng)激反應(yīng)。成熟脂肪細(xì)胞的代謝活動(dòng)主要有脂肪生成，脂解作用，糖酵解和氧化磷酸化反應(yīng)，這些代謝活動(dòng)一般由線粒體控制。

成年人的血管周圍脂肪組織同時(shí)具有白色脂肪組織和棕色脂肪組織的生理特性，其代謝活動(dòng)可能對(duì)血管張力，血管重塑，血管生成以及產(chǎn)熱作用等產(chǎn)生影響。外周血管周圍脂肪組織（PVAT）分泌地脂聯(lián)素可以激活平滑肌細(xì)胞的鈣激活鉀通道（BKCa）[2]從而導(dǎo)致血管舒張。與衰老相關(guān)的血管功能障礙與PVAT 的異常褐變、局部腺苷的生成[3]、PVAT 一氧化氮生成減少以及血管擴(kuò)張的改變相關(guān)[4]。因此，由于作用于鄰近內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞（SMCs）的血管活性物質(zhì)分泌地不平衡，成年人PVAT異常的代謝活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致血管舒縮機(jī)制的解除，從而導(dǎo)致血管功能障礙。

位于SVF 微環(huán)境的ASCs 具有自我更新特性，并且表達(dá)周細(xì)胞標(biāo)志物[5-6]，如血小板來源的生長(zhǎng)因子受體（PDGFRβ），神經(jīng)/膠質(zhì)抗原NG2以及CD24和PPARγ 等。ASCs與成熟的脂肪細(xì)胞相比缺少細(xì)胞內(nèi)脂滴，表達(dá)間充質(zhì)標(biāo)志物[7-8]，如，CD90，CD105，CD73，CD44 和CD166。最近的一篇綜述系統(tǒng)地總結(jié)了ASCs 的表型[9]，陽性標(biāo)記物有CD90、CD44、CD29、CD105、CD13、CD73、CD166、CD10、CD49e、CD59，陰形標(biāo)記物有CD31、CD45、CD14、CD11b、CD34、CD19、CD56、CD146。

血管周圍脂肪組織增殖微環(huán)境的建立為調(diào)節(jié)脂肪干細(xì)胞多能性以及自我再生能力提供了條件[10]。比如，在ASCs中刺激PPARγ 會(huì)導(dǎo)致PDGFRβ 和VEGFR的激活，導(dǎo)致較為廣泛的局部血管新生，從而加強(qiáng)ASCs 與血管微環(huán)境的結(jié)合。因此，PPARγ 配體的局部濃度有可能是影響ASCs在血管周圍微環(huán)境中生存發(fā)展的關(guān)鍵因素。在ASCs中，CD73的表達(dá)表明腺苷酸調(diào)節(jié)機(jī)制的參與在干細(xì)胞形成過程中的調(diào)節(jié)作用：干細(xì)胞表達(dá)CD39 或者SVF 調(diào)節(jié)T 細(xì)胞可能會(huì)導(dǎo)致三磷酸腺苷（ATP）降解生成單磷酸腺苷（AMP），而ASCs 表達(dá)CD73 可以使單磷酸腺苷生成腺苷[11-12]。在SVF 微環(huán)境中，通過表達(dá)干細(xì)胞的CD38/NAD+糖水解酶活性將NAD+轉(zhuǎn)化為ADP-核糖，進(jìn)而通過巨噬細(xì)胞表達(dá)CD203a 活性將ADP-核糖轉(zhuǎn)化為AMP，從而產(chǎn)生腺苷。在被激活的免疫細(xì)胞中[13]，CD73 參與的反應(yīng)也可能會(huì)導(dǎo)致腺苷的產(chǎn)生。間充質(zhì)干細(xì)胞以及白色和棕色脂肪組織中的脂肪細(xì)胞表達(dá)腺苷受體[14-15]；因此，腺苷以及腺苷受體的調(diào)節(jié)會(huì)影響脂肪形成：腺苷激活棕色脂肪細(xì)胞以及米色脂肪細(xì)胞[16]，促進(jìn)分化，并且抑制脂肪細(xì)胞內(nèi)的脂類分解[17]。

2 乳酸和NAD+在脂肪組織微環(huán)境中的代謝

脂肪細(xì)胞對(duì)脂肪酸的利用以及乳酸的產(chǎn)生是為機(jī)體提供能量的主要方式，并且通過脂肪細(xì)胞線粒體氧化和磷酸化的解偶聯(lián)產(chǎn)熱[18]。乳酸的糖酵解產(chǎn)物及其通過單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(MCTs)的轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控棕色脂肪細(xì)胞的代謝活動(dòng)，從而產(chǎn)熱。

脂肪組織的這些代謝和調(diào)節(jié)活動(dòng)對(duì)ASCs會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？脂肪干細(xì)胞，以及其他所有具有多向分化潛能的細(xì)胞，在極大程度上依賴糖酵解活動(dòng)，糖酵解的代謝產(chǎn)物是維持干細(xì)胞數(shù)量并且防止其不適當(dāng)或不可控的補(bǔ)充所必需的[19]。脂肪細(xì)胞的糖酵解是脂肪細(xì)胞必要的功能性活動(dòng)，但是不同位置脂肪組織的糖酵解是不同的[20]。棕色脂肪細(xì)胞的糖酵解活動(dòng)取決于HIF-1的轉(zhuǎn)錄活動(dòng)，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（GLUT）的表達(dá)以及糖分解酶的作用[21]。

乳酸來源于干細(xì)胞及其周圍細(xì)胞。在白色和棕色脂肪形成過程中，乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)體MCT1 和MCT4 的表達(dá)逐漸升高，這對(duì)于乳酸的聚集以及線粒體生成能量至關(guān)重要[22]。乳酸是白色脂肪細(xì)胞棕色化的標(biāo)志：通過乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（MCT），升高UCP1的表達(dá)從而影響線粒體的生理活動(dòng)[23]。棕色脂肪細(xì)胞大量表達(dá)乳酸受體GPR81[24]，在成熟脂肪細(xì)胞中，GPR81的激活會(huì)抑制脂解作用[25]。GPR81 的表達(dá)是維持干細(xì)胞種群生長(zhǎng)繁殖所必需的[26]，但是BADSCs 是否在SVF 微環(huán)境表達(dá)和使用GPR81以滿足自身需要仍有待評(píng)估。

在白色脂肪組織中，糖酵解酶的表達(dá)在脂肪細(xì)胞的生長(zhǎng)過程中逐漸升高，糖酵解活動(dòng)在線粒體的解偶聯(lián)過程中被同時(shí)激活[27]。棕色脂肪細(xì)胞與白色脂肪細(xì)胞不同的是，棕色脂肪細(xì)胞使更多的葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸和丙酮酸鹽，只有小部分轉(zhuǎn)化為脂肪酸（脂質(zhì)新生）[28]。減少脂質(zhì)新生可能與脂肪組織中的胰島素抵抗有關(guān)，也可能反映了脂肪酸衍生物在作為調(diào)節(jié)因子的過程中產(chǎn)生的次要變化（蛋白質(zhì)乙?；饔?，PPARγ 通路）[29]。因此，BADSCs 以及在脂肪組織微環(huán)境中的周圍細(xì)胞的糖酵解活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化由于乳酸生物利用度和脂肪酸的代謝的次要改變從而影響干細(xì)胞的分化。

糖酵解和乳酸的產(chǎn)生的另一個(gè)重要特性是細(xì)胞內(nèi)NAD+再生與丙酮酸-乳酸轉(zhuǎn)化相結(jié)合。因此，在BADSCs 生長(zhǎng)早期階段更大程度的糖酵解以及更高的乳酸的產(chǎn)量，對(duì)于維持細(xì)胞內(nèi)NAD+水平，以滿足增殖和分化細(xì)胞的代謝需要可能非常重要。由于乳酸作為線粒體燃料的作用需要進(jìn)行反向轉(zhuǎn)化并增加NADH 的濃度，所以這只適用于線粒體呼吸受到抑制的情況。因此，SVF微環(huán)境的細(xì)胞的分化應(yīng)該與細(xì)胞內(nèi)NAD+的消耗有關(guān)。

脂肪細(xì)胞有完整的NAD+產(chǎn)生和消耗的機(jī)制。NAD+的消耗酶是NAD+糖水解酶（CD38，CD157），多聚腺苷酸聚合酶，組蛋白去乙?；福℉DAC 或者去乙?；福?。NAD+糖水解酶/CD38 是具有鈣離子激活性能的受體和產(chǎn)生酶的第二信使，并且廣泛表達(dá)與大腦，肝，脂肪組織和免疫細(xì)胞。隨著年齡的增長(zhǎng)，在成熟脂肪組織的CD38的表達(dá)的逐漸增加與細(xì)胞內(nèi)NAD+消耗的水平相關(guān)，并可能以依賴去乙?；傅姆绞綄?dǎo)致線粒體功能障礙[30]。最近，一個(gè)包含流式細(xì)胞術(shù)，細(xì)胞分選和免疫組化的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)證明CD38作用于脂肪分化，因此可以被看作前脂肪細(xì)胞的標(biāo)志物；因此，在脂肪大量產(chǎn)生的過程中，增殖潛能降低的CD38+免疫陽性細(xì)胞的數(shù)量增加[31]。我們推測(cè)在前脂肪細(xì)胞分化階段SVF微環(huán)境可能會(huì)出現(xiàn)CD38表達(dá)的升高從而對(duì)應(yīng)于糖酵解的相對(duì)抑制。由于這兩種機(jī)制(CD38 的過表達(dá)和糖酵解的減少)，ASCs 細(xì)胞內(nèi)NAD+水平可能會(huì)顯著降低。

在棕色脂肪組織中，各種去乙?；傅募せ钍钦{(diào)節(jié)線粒體數(shù)量，線粒體呼吸作用，葡萄糖攝取，產(chǎn)熱所必需的，然而在白色脂肪組織中，去乙?；敢灿衅渌饔茫刂浦疽蜃拥漠a(chǎn)生，脂肪形成）[32]。因此，NAD+的生物利用度可能決定了去乙?；冈贏SCs 及其周圍細(xì)胞中的表達(dá)水平，表明了糖酵解強(qiáng)度、代謝和ASCs克隆能力之間的聯(lián)系。

3 脂肪組織微環(huán)境中的促血管生成活性

SVF 微環(huán)境是血管生成的平臺(tái)，其中VEGF 和PDGF 是主要的調(diào)控信號(hào)[33-34]。最近的研究表明SVF 是內(nèi)皮祖細(xì)胞，內(nèi)皮細(xì)胞以及周皮細(xì)胞的重要來源之一，因此對(duì)血管重塑和血管生成有作用[35]。脂肪組織自身是血管生成激活因子和抑制因子的重要來源之一[36]。PVAT的促血管生成活性是由具有強(qiáng)大血管生成潛能的可溶性因子的分泌導(dǎo)致的，如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF），酸性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（aFGF），單核細(xì)胞化學(xué)引誘物蛋白1（MCP-1），胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白-3（IGFBP-3），膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（GDNF），以及肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子（HGF）[37-38]。CD248是周皮細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育的陽性調(diào)節(jié)因子[39]，CD248 免疫陽性的SVF ASCs 有更高的促血管生成潛能[40-41]。在小鼠體內(nèi)，脂肪組織血管內(nèi)皮細(xì)胞可能在其體內(nèi)分化的極早階段通過緊密連接蛋白耦聯(lián)產(chǎn)生新的脂肪細(xì)胞[42]。

脂肪組織的抗血管生成活性依賴于脂聯(lián)素，內(nèi)皮抑素，血小板反應(yīng)蛋白-1，可溶性VEGF 2型受體，以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β 等的分泌[35]。脂肪細(xì)胞的功能活動(dòng)控制著促血管生成因子和抗血管生成因子的分泌，如寒冷刺激棕色脂肪細(xì)胞的VEGFA 的生成，它可以直接刺激脂肪細(xì)胞前提和內(nèi)皮細(xì)胞的分化[43]。與之相反的是，從脂肪細(xì)胞中分泌的脂肪酸可以作為PPAR 受體的配體，從而影響內(nèi)皮細(xì)胞，正如通過血腦屏障（BBB）在大腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)PPARα 受體，從而導(dǎo)致BBB的通透性過高[44]。來自ASCs的外泌體，包含microRNA-181b-5p，在缺氧條件下能夠激活腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞（BMECs）來刺激血管生成[45]。

上述提及內(nèi)皮細(xì)胞和周皮細(xì)胞可能是ASCs的前體細(xì)胞[42]。實(shí)際上，內(nèi)皮細(xì)胞和ASCs 之間的聯(lián)系對(duì)于在干細(xì)胞中誘導(dǎo)促血管或抗血管生成的分泌活動(dòng)是必需的。比如，內(nèi)皮細(xì)胞在體內(nèi)與ASCs相互聯(lián)系，誘導(dǎo)激活素A的表達(dá)，激活素A是控制血管生成的重要因子[43]。

擁有高血管生成潛能的內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs）可以輕松地從SVF 中分離出來[46]，用于生物工程研究。與ASCs 來源的EPCs 相比，脂肪組織來源的EPCs 有更高的增殖潛能[47]。考慮到脂肪細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間的緊密聯(lián)系以及其譜系間的高度可塑性，ASCs的間充質(zhì)-內(nèi)皮轉(zhuǎn)化[48]會(huì)導(dǎo)致多種病理生理學(xué)和生理學(xué)過程的發(fā)生，如之前提到的多種血管的重塑和血管新生[49]。由于這些過程通常是由局部慢性缺氧引起的，啟動(dòng)ASCs 的間充質(zhì)-內(nèi)皮轉(zhuǎn)化應(yīng)該與過多的脂肪形成和脂肪組織簇的擴(kuò)大有關(guān)。眾所周知，缺氧總是與乳酸的聚集相聯(lián)系；因此，SVF微環(huán)境內(nèi)局部乳酸的產(chǎn)生可以調(diào)控ASCs分化為內(nèi)皮細(xì)胞。實(shí)際上，乳酸是血管生成的積極調(diào)控因子，并且具有克隆能力的位置在乳酸充足的微環(huán)境下可能會(huì)在大量脂肪形成的區(qū)域促進(jìn)血管新生。乳酸的促血管生成的作用通常需要IL-8介導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞的增殖[50]，脂肪組織似乎是釋放入循環(huán)系統(tǒng)的IL-8 的重要來源之一[51]。最近來有關(guān)微重力刺激下ASCs 血管生成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（絲氨酸蛋白酶抑制劑E1，絲氨酸蛋白酶抑制劑F1，胰島素生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白（IGFBP），VEGF，以及IL-8 等在脂肪組織中的表達(dá)水平升高）部分證實(shí)了SVF 微環(huán)境乳酸介導(dǎo)的促血管生成作用機(jī)制。

總之，SVF中的ASCs由多能干細(xì)胞組成，這些干細(xì)胞可以被認(rèn)為是血管生成的前體細(xì)胞，能夠分化為內(nèi)皮細(xì)胞和周皮細(xì)胞，支持血管生成和血管重構(gòu)。因此，有理由認(rèn)為ASCs來源細(xì)胞是滿足血管再生和血管替換需要的非常有前景的候選細(xì)胞。

4 結(jié)論

在缺血性腦卒中的大鼠中靜脈注射脂肪組織來源的間充質(zhì)干細(xì)胞(改善神經(jīng)發(fā)生、減少突膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生、突觸發(fā)生和腦血管生成)后已獲得陽性結(jié)果[52]。在圍產(chǎn)期缺氧缺血性腦損傷的新生大鼠中，當(dāng)ASCs植入脂肪干細(xì)胞來源的EPCs和神經(jīng)祖細(xì)胞時(shí)，它們的狀態(tài)得到了改善[53]。阿爾茨海默癥的發(fā)病機(jī)制中血管成分占了重要地位[54]；因此，利用ASCs的促血管生成的作用可能有治療作用。

ASCs應(yīng)用的下一個(gè)階段是將血液微血管體外網(wǎng)絡(luò)工程作為藥物測(cè)試平臺(tái)，或作為基于單獨(dú)培養(yǎng)或與內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)的ASCs的植入物。與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相比，ASCs的多譜系特性(通過將ASCs 分化為廣譜細(xì)胞來評(píng)估)和高再生能力(通過血管生成活性分析、抗衰老表型和體外氧化應(yīng)激敏感性來證實(shí))使它們成為生物工程研究的有良好前景的候選細(xì)胞。

總而言之，在過去的幾十年里，在研究ASCs功能活動(dòng)的分子機(jī)制方面，特別是在控制血管生成方面取得了顯著的進(jìn)展。血管支架存在于真實(shí)的微環(huán)境中（脂肪組織SVF，骨髓微環(huán)境、腦神經(jīng)源性微環(huán)境、低血管性微環(huán)境），并且可在體外復(fù)制，因此可以對(duì)干細(xì)胞數(shù)量的維持以及干細(xì)胞分化的控制提供足夠的支持，為優(yōu)化組織再生方案提供了新的選擇，特別是在心腦血管疾病的復(fù)雜治療中。