交感神經(jīng)及其神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞的研究進(jìn)展

陳美雄，鄭凱，徐明奎，袁仕國

1.海南省中醫(yī)院骨傷科，海南 ?？?570203；2.右江民族醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣西 百色 533000

間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)又被稱為多潛能基質(zhì)細(xì)胞，是屬于中胚層的一類多能成體干細(xì)胞，主要存在于結(jié)締組織和器官間質(zhì)中，在適宜條件下可分化為脂肪、骨、軟骨等多種組織細(xì)胞。MSCs主要包括骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs)、脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞(adipose-derived mesenchymal stem cells，ADMSCs)、臍血間充質(zhì)干細(xì)胞等，羊水和胎盤中亦含有MSCs，研究較多的是前二者。不同來源MSCs在生物表型、分化潛能等類似，但不同來源的MSCs其表達(dá)的標(biāo)志可能不同，如ADMSCs表達(dá)CD49d，不表達(dá)CD106，而BMMSCs則相反[1]，另外ADMSCs不表達(dá)幾種蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)被認(rèn)為是其他干細(xì)胞群體中“干性”的標(biāo)志物，包括端粒酶、CD133和膜轉(zhuǎn)運蛋白ABCG2。同時不同組織來源的MSCs提取程序不一樣，增殖和分化潛能也有一定的差異。故本文對不同來源的MSCs分別展述。近年來發(fā)現(xiàn)交感神經(jīng)系統(tǒng)(sympathetic nervous system，SNS)對干細(xì)胞存在多位點、多階段的影響和調(diào)控。而SNS易于藥物等干預(yù)，如能明確SNS對干細(xì)胞調(diào)控的機(jī)制、方式、階段等等，對于MSCs的臨床應(yīng)用以及調(diào)控MSCs修復(fù)損傷、衰老組織等將提供良好的工具和平臺。本文就SNS及其神經(jīng)遞質(zhì)與MSCs的關(guān)系展開綜述，為進(jìn)一步研究MSCs和可能的臨床應(yīng)用提供參考。

1 SNS及其神經(jīng)遞質(zhì)對BMMSCs的調(diào)控

SNS是BMMSCs微環(huán)境的重要組成部分，去甲腎上腺素(norepinephrine，NE)調(diào)節(jié)這些細(xì)胞的生物活性。NE對BMMSCs的作用可能是復(fù)雜的雙向作用。NE通過腎上腺素受體(adrenergic receptor，AR)、蛋白激酶C依賴的信號通路促進(jìn)BMMSCs的增殖，并刺激BMMSCs的DNA合成；但也有研究發(fā)現(xiàn)NE負(fù)向調(diào)控BMMSCs增殖及分化能力，并抑制BMMSCs在基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1誘導(dǎo)下的遷移能力[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)β3-AR信號調(diào)節(jié)BMMSCs微環(huán)境，降低基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1表達(dá)，形成更多增殖和分化能力得到提升的內(nèi)皮祖細(xì)胞集落，從而調(diào)節(jié)內(nèi)皮祖細(xì)胞的生物學(xué)特征[4]。

1.1 SNS調(diào)控BMMSCs的成骨分化MSCs表達(dá)不同亞型的AR 感覺神經(jīng)和SNS調(diào)節(jié)肢體發(fā)育過程中和軟骨內(nèi)骨化過程中BMMSCs的骨-軟骨分化[5]。研究發(fā)現(xiàn)，年輕小鼠SNS張力高可驅(qū)動低骨礦物質(zhì)密度表型的發(fā)生，至少起部分作用[6]。BMMSCs上存在β2-AR，SNS遞質(zhì)可能通過作用于BMMSCs上的β2-AR而調(diào)節(jié)BMMSCs向成骨細(xì)胞的分化，同時β2-AR激動劑/拮抗劑可能通過調(diào)節(jié)BMMSCs的過氧化物酶體增殖物激活受體γ2而影響B(tài)MMSCs的分化方向，從而參與骨代謝的調(diào)節(jié)。另有研究認(rèn)為是β1-AR，而不是β2-AR，可能參與大鼠的BMMSCs的成骨分化；而β1-AR的高表達(dá)可能會抑制β2-AR對BMMSCs的影響[7]。失調(diào)的交感神經(jīng)活動可能通過MSCs導(dǎo)致阿爾茨海默癥相關(guān)的骨質(zhì)流失[8]。SNS去神經(jīng)支配可促進(jìn)BMMSCs動員，從而增強(qiáng)牽張成骨中的骨形成，可能與NE/β3-AR對BMMSCs遷移和成骨的抑制作用有關(guān)系[9]；同時NE可以通過NE/β3-AR/c-Jun氨基末端激酶途徑增加血管內(nèi)皮細(xì)胞的基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1的分泌，從而抑制BMMSCs遷移，達(dá)到抑制成骨的效果[10]。普萘洛爾對BMMSCs的成骨分化能力具有明顯促進(jìn)作用，而異丙腎上腺素則對BMMSCs的成骨分化具有明顯抑制作用，SNS信號可直接調(diào)控BMMSCs成骨分化能力[11]。miR-21調(diào)控失重條件下SNS激活誘發(fā)的骨質(zhì)疏松，其機(jī)制可能是BMMSCs對SNS信號的響應(yīng)促進(jìn)了microRNA經(jīng)外泌體的釋放和向破骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)運[12]。有意思的是，心理應(yīng)激介導(dǎo)腎上腺素通過減少miR-21表達(dá)抑制BMMSCs的成骨分化，miR-21的過表達(dá)逆轉(zhuǎn)了腎上腺素對BMMSCs成骨分化的阻礙作用，表明心理壓力、心理應(yīng)激調(diào)節(jié)骨代謝[13]。

1.2 BMMSCs調(diào)控心臟SNS的重構(gòu) BMMSCs移植可以改善心衰大鼠的心臟功能，BMMSCs移植后神經(jīng)生長因子表達(dá)增加，可能影響心肌梗死后的SNS重塑和電生理特性。MSCs的旁分泌因子可能參與該過程，BMMSCs通過神經(jīng)生長因子在心肌梗死大鼠模型中促進(jìn)心臟神經(jīng)芽生[14]，并且促進(jìn)心肌肌腱蛋白的過表達(dá)。BMMSCs移植能顯著減輕心肌梗死后心臟自主神經(jīng)功能的紊亂，其機(jī)制與BMMSCs移植促進(jìn)心肌細(xì)胞等修復(fù)、減少心臟交感神經(jīng)重構(gòu)有關(guān)；可能通過旁分泌途徑抑制心肌成纖維細(xì)胞增殖和膠原的合成而改善心肌的纖維化、提高心臟的功能[14]。低氧環(huán)境能顯著上調(diào)大鼠BMMSCs的SNS重構(gòu)相關(guān)因子的表達(dá)水平，促進(jìn)心肌SNS重構(gòu)[15]。

1.3 SNS介導(dǎo)BMMSCs調(diào)節(jié)造血和相關(guān)疾病 在發(fā)育的骨髓中，BMMSCs形成造血干細(xì)胞的微環(huán)境，并且BMMSCs與SNS外周神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞共同起源，并且特征不同的BMMSCs在軟骨形成和造血干細(xì)胞微環(huán)境形成中具有不同的功能[16]。SNS纖維通過調(diào)控骨髓nestin+MSCs對正常的造血干細(xì)胞有維持作用，給予神經(jīng)保護(hù)藥物或擬SNS藥物可防止造血干細(xì)胞突變體增殖，用恢復(fù)nestin+MSCs的β3-AR激動劑治療可通過間接減少白血病干細(xì)胞的數(shù)量來阻止骨髓增生性腫瘤的進(jìn)展[17]。免疫性血小板減少癥中nestin+MSCs的凋亡顯著增加，且SNS、雪旺細(xì)胞、β3-AR+nestin+MSCs的比例和nestin+MSC的β3-AR均顯著降低。SNS病變和骨髓nestin+MSC凋亡可能對免疫性血小板減少中骨髓趨化因子CXCL7和CXCL12的改變有影響[18]。

1.4 SNS通過BMMSCs調(diào)節(jié)血糖代謝 在糖尿病中BMMSCs的數(shù)量減少并且分化受損，且常伴隨SNS損傷，NE可防止高糖誘導(dǎo)的BMMSCs凋亡，這種保護(hù)作用可能通過AKT/B細(xì)胞CLL/淋巴瘤2途徑[19]。糖尿病患者骨髓中SNS末梢的數(shù)量明顯減少[20]，導(dǎo)致微環(huán)境功能改變而損害造血干細(xì)胞的動員，造血干細(xì)胞和造血祖細(xì)胞異常定位于糖尿病小鼠的骨髓微環(huán)境中，并且SNS末端的數(shù)量和功能的異常與這種錯誤定位相關(guān)。BMMSCs對造血干細(xì)胞和造血祖細(xì)胞的動員至關(guān)重要，對骨髓β-AR刺激的異常反應(yīng)包括nestin+MSCs不能響應(yīng)粒細(xì)胞集落刺激因子治療而下調(diào)CXCL12。BMMSCs治療可促進(jìn)心臟神經(jīng)芽生并增加副交感神經(jīng)系統(tǒng)與SNS纖維的比例，抑制糖尿病大鼠室性心律失常[21]。

1.5 SNS對BMMSCs其他方面的調(diào)控 向腎血管性高血壓大鼠尾靜脈注射BMMSCs，可顯著降低蛋白尿并且抑制SNS過度活躍，從而阻止腎血管性高血壓的進(jìn)展，改善腎功能和結(jié)構(gòu)[22]。皮膚受到分泌多巴胺的SNS豐富的支配，突觸間隙中存在的多巴胺可以顯著抑制傷口組織的新血管形成，通過動員到傷口床中的BMMSCs在促進(jìn)傷口血管生成中起重要作用，表明使用多巴胺D(2)受體拮抗劑來刺激BMMSCs的動員可更快地再生受損組織[22]。研究發(fā)現(xiàn)電針激活感覺神經(jīng)節(jié)和SNS中樞介導(dǎo)BMMSCs的釋放，增強(qiáng)組織修復(fù)，增加抗炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生并明顯緩解疼痛[23]。

2 SNS及其神經(jīng)遞質(zhì)對ADMSCs的調(diào)控

2.1 SNS通過ADMSCs調(diào)控脂肪代謝 衰老與棕色脂肪組織退化可能有非常多的相關(guān)性，包括增齡性SNS損傷對棕色ADMSCs/脂肪祖細(xì)胞功能的改變和內(nèi)分泌信號的變化等等[24]。ADMSCs衍生的介質(zhì)在體外促進(jìn)多形核細(xì)胞形成，肥胖對遠(yuǎn)處器官損傷的影響可能取決于患者體質(zhì)量指數(shù)和與損傷相關(guān)的SNS反應(yīng)，這些結(jié)果表明β-AR阻滯治療在該患者群體中的潛在作用[25]。α1A-AR是ADMSCs中最豐富的，在單細(xì)胞中使用鈣成像發(fā)現(xiàn)只有(6.9±0.8)%的ADMSCs通過細(xì)胞內(nèi)鈣釋放對NE起反應(yīng)。

2.2 SNS調(diào)控ADMSCs影響創(chuàng)傷與關(guān)節(jié)炎的發(fā)展 在創(chuàng)傷和骨關(guān)節(jié)炎患者的滑液中檢測到神經(jīng)遞質(zhì)NE，滑膜ADMSCs表達(dá)α1A-、α1B-、α2A-、α2B-、α2C-和β2-AR，NE通過激活α2A-AR介導(dǎo)的細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2信號通路，抑制滑膜ADMSCs向軟骨分化[26]?；DMSCs可以分化為表達(dá)兒茶酚胺的SNS元樣細(xì)胞，以治療實驗性關(guān)節(jié)炎[27]。

2.3 ADMSCs通過SNS改善心梗 ADMSCs移植是改善心肌梗死后心臟功能的一種有前途的新療法，與單獨的ADMSCs相比，正丁基苯酞灌注的ADMSCs移植通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/糖原合成酶激酶-3β依賴性途徑，改善了ADMSCs植入存活、減弱了SNS過度神經(jīng)支配和心律失常，表明正丁基苯酞預(yù)處理和ADMSCs之間達(dá)到了協(xié)同作用[28]。

3 SNS及其神經(jīng)遞質(zhì)對其他MSCs的調(diào)控

3.1 SNS及其神經(jīng)遞質(zhì)對毛囊干細(xì)胞的調(diào)控 當(dāng)交感神經(jīng)接近毛囊干細(xì)胞時，成束的神經(jīng)內(nèi)膜僅在面向毛囊干細(xì)胞的一側(cè)打開，將神經(jīng)纖維暴露于毛囊干細(xì)胞，從而更好地增強(qiáng)神經(jīng)遞質(zhì)向毛囊干細(xì)胞的擴(kuò)散。這表明交感神經(jīng)支配毛囊外隆起區(qū)和毛胚層中的毛囊干細(xì)胞。在沒有交感神經(jīng)信號的情況下，毛囊干細(xì)胞通過下調(diào)細(xì)胞周期和代謝同時上調(diào)靜止調(diào)節(jié)因子Foxp1和Fgf18進(jìn)入深度靜止。在發(fā)育過程中，毛囊干細(xì)胞后代會分泌Sonic Hedgehog來指導(dǎo)豎毛肌交感神經(jīng)干細(xì)胞巢的形成，進(jìn)而控制毛囊的再生[29]。研究發(fā)現(xiàn)動物眼睛受光刺激后，可導(dǎo)致毛囊干細(xì)胞的快速激活，具有突出的毛發(fā)再生作用[28]。這種機(jī)理是：光信號由M1型本征光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞傳導(dǎo)，其通過黑視蛋白向視交叉上核發(fā)信號。隨后，立即激活傳出SNS，增加皮膚中NE的釋放，促進(jìn)刺猬蛋白信號激活毛囊干細(xì)胞。因此，外部光可以通過視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞-視交叉上核-SNS通路直接調(diào)節(jié)組織干細(xì)胞。由于SNS的激活不限于皮膚，該通路還可以促進(jìn)對其他穩(wěn)態(tài)組織中的外部光的快速適應(yīng)性反應(yīng)[28]。

3.2 SNS及其神經(jīng)遞質(zhì)對肌衛(wèi)星細(xì)胞的調(diào)控 骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞是肌肉穩(wěn)態(tài)和修復(fù)的關(guān)鍵干細(xì)胞，有研究發(fā)現(xiàn)β1-AR和β2-AR在C2C12細(xì)胞(衛(wèi)星細(xì)胞系)中表達(dá)，連續(xù)暴露在異丙腎上腺素中，C2C12細(xì)胞分化和成肌細(xì)胞融合都受到抑制。連續(xù)單劑量異丙腎上腺素增加C2C12細(xì)胞中的β1-AR表達(dá)。異丙腎上腺素的持續(xù)暴露部分地通過蛋白激酶A-細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2-Forkhead轉(zhuǎn)錄因子信號傳導(dǎo)途徑抑制肌衛(wèi)星細(xì)胞分化和成肌細(xì)胞融合，其與β2-AR降低和β1-AR增加水平相關(guān)[30]。同時研究發(fā)現(xiàn)老年小鼠骨骼肌交感神經(jīng)活性降低，交感神經(jīng)活性可能是構(gòu)成衛(wèi)星細(xì)胞干細(xì)胞巢的成分之一，β2-AR激動劑克倫特羅可能通過穩(wěn)定衛(wèi)星細(xì)胞微環(huán)境中的交感神經(jīng)活性而促進(jìn)老年小鼠骨骼肌損傷的修復(fù)[31]。

3.3 SNS及其神經(jīng)遞質(zhì)對腸上皮干細(xì)胞的調(diào)控 腸上皮干細(xì)胞位于組織的隱窩內(nèi)并負(fù)責(zé)更新和生長[32]。SNS相關(guān)的α2A-AR和副交感神經(jīng)相關(guān)的毒蕈堿乙酰膽堿受體亞型M1和M3也在腸上皮干細(xì)胞中表達(dá)，并且控制腸上皮細(xì)胞增殖[33]。SNS神經(jīng)末梢密集地集中在腸上皮干細(xì)胞所在的隱窩的基部，而副交感神經(jīng)與腸上皮細(xì)胞直接接觸突觸。SNS和副交感神經(jīng)與腸神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元形成突觸聯(lián)系。自主神經(jīng)系統(tǒng)的任一分支的手術(shù)或化學(xué)消融，SNS或副交感神經(jīng)導(dǎo)致自主神經(jīng)遞質(zhì)的體內(nèi)來源缺乏，由此改變了腸上皮隱窩細(xì)胞的增殖。松果腺抑制腸上皮干細(xì)胞的增殖速度，可能是通過松果體與下丘腦之間的直接聯(lián)系，或下丘腦與迷走神經(jīng)和腸道交感神經(jīng)支配之間的聯(lián)系，或自主神經(jīng)支配對腸隱窩叢活動與隱窩相關(guān)的影響。這種增殖可能是通過α2-AR調(diào)節(jié)的。另外，NE或乙酰膽堿的應(yīng)用降低了腸上皮類器官中細(xì)胞周期進(jìn)程所必需的細(xì)胞周期蛋白D1的表達(dá)。有意思的是，研究發(fā)現(xiàn)SNS和副交感神經(jīng)去神經(jīng)化后，可能對腸上皮干細(xì)胞的長期影響效果并不明顯。

4 小結(jié)

交感神經(jīng)系統(tǒng)是間充質(zhì)干細(xì)胞微環(huán)境、干細(xì)胞巢/壁龕的重要組成部分，其通過去甲腎上腺素等等神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)節(jié)間充質(zhì)干細(xì)胞或其微環(huán)境的生物活性。創(chuàng)傷、應(yīng)激甚或白晝節(jié)律等通過交感神經(jīng)系統(tǒng)，在多條信號通路影響著間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和分化能力，對心肌梗死修復(fù)、腎衰、骨關(guān)節(jié)疾病和糖尿病、肥胖等疾病，以及對血液系統(tǒng)疾病、免疫功能等，不同階段和狀態(tài)起著不同的作用。干細(xì)胞的研究和應(yīng)用方興未艾，但由于機(jī)體本身的復(fù)雜性，間充質(zhì)干細(xì)胞不同種類、部位，甚或不同階段、疾病狀態(tài)，交感神經(jīng)系統(tǒng)對干細(xì)胞的影響都不一樣。因此研究其影響機(jī)制，明確最佳的微環(huán)境、刺激模式、動員、增殖、分化方向、修復(fù)效果等等是全面認(rèn)識交感神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞的主要和關(guān)鍵的內(nèi)容，以期為機(jī)體延緩衰老、控制疾病、修復(fù)甚至再生損傷組織提供充分的科學(xué)依據(jù)。