粒細胞集落刺激因子促進肝臟再生的機制

許 祥，胡瑾華

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粒細胞集落刺激因子促進肝臟再生的機制

許 祥，胡瑾華

[摘要]肝臟的一個特性即是在受到損傷后會通過自身的再生能力來恢復原有肝臟體積和功能，目前越來越多的證據顯示重組人粒細胞集落刺激因子（granulocyte-colony stimulating factor, G-CSF）在促進肝臟再生的過程中有多方面的作用。深入了解G-CSF促進肝臟再生的機制對于其應用于肝損傷患者，促進肝臟再生，提高生存率有著重要意義。本文就G-CSF促進肝臟再生的機制進行綜述。

[關鍵詞]粒細胞集落刺激因子；肝再生；干細胞

[作者單位] 100039，北京大學解放軍第三○二醫院教學醫院肝衰竭診療研究中心（許祥、胡瑾華）

肝臟是成年人體內損傷后有明顯再生能力，成熟的肝細胞很少再生，但保留著強大的再生能力。在各種類型的肝損傷中，肝臟均能發生明顯的再生過程，如酒精性肝炎中，肝臟祖細胞即卵原細胞發生增殖，促進肝臟再生[1]，而活體肝移植的應用關鍵也在于使受體肝及供者的剩余肝盡快再生，以滿足需要。肝衰竭時肝細胞發生大量壞死、凋亡，因此肝臟再生是肝衰竭救治成功的重要環節之一。

重組人粒細胞集落刺激因子（granulocytecolony stimulating factor, G-CSF）是通過DNA重組技術合成的175個氨基酸蛋白，其作為一種造血源性生長因子，促進造血細胞系的增殖作用已被熟知，并廣泛應用于臨床。Chavez-Tapia等[2]通過Meta分析證明G-CSF治療慢加急性肝衰竭能夠明顯降低短期病死率。而且，目前有研究發現，G-CSF通過動員骨髓干細胞（bone marrow-derived cells, BMC）至肝臟，一方面BMC定向分化為肝細胞促進肝臟再生，另一方面G-CSF還可促進肝卵原細胞的增殖分化來促進肝臟再生[3]。本文就G-CSF促進肝臟再生的可能機制進行闡述。

1　G-CSF促進肝臟再生的機制

1.1動員BMC歸巢肝臟并定向分化為成熟肝細胞BMC是重要的成體干細胞，具有定向分化或橫向分化為一些成體細胞的潛能，其中包括肝實質細胞[4]。在機體出現損傷的情況下，BMC可以進入到外周血循環中，并遷移到損傷部位或臟器，但其數量有限。

已證實G-CSF是BMC強有力的動員劑，不僅可增加外周血干細胞數量，也可使干細胞遷移到肝損傷部位[5]。Yoshizato等[6]在血液病患者的治療中發現，給健康捐獻者注射G-CSF后4 d是取外周血干細胞的最佳時機。Gaia等[7]通過流式細胞術在嚴重肝硬化患者的肝組織內檢測到G-CSF刺激的骨髓干細胞，表明G-CSF可以促進BMC在損傷肝組織中的定植作用。Kimura等[8]在對肝損傷大鼠進行60％肝臟切除手術前應用G-CSF 5 d，通過免疫組化在肝靜脈周圍檢測到了CD34+細胞，而未進行G-CSF治療的對照組未檢測到CD34+細胞。在治療組中剩余肝臟達到正常體積的時間比對照組早24 h，說明G-CSF能夠促進剩余肝臟的再生，其作用為促進BMC遷移至肝臟。目前關于機制的研究顯示，G-CSF的受體在人體內各組織細胞（包括造血干細胞）中廣泛表達，G-CSF可能通過促進中性粒細胞彈性蛋白酶、基質金屬蛋白酶2和9的釋放，形成骨髓的蛋白水解微環境，從而促進BMC從骨髓釋放入血[9]，再通過細胞因子的趨化作用使造血干細胞遷移至肝臟，其中最重要的是基質細胞衍生因子（stromal cell-derived factor, SDF）-1，其受體為CXCR-4。肝損傷時，G-CSF在促進BMC動員的同時還可增加SDF-1在肝臟中的表達，并建立起肝組織、外周血和骨髓間的濃度梯度差。這種濃度梯度將引導BMC向肝臟遷移、歸巢[10]，用CXCR-4的抗體中和CXCR-4后，BMC的歸巢作用消失[11]。BMC的遷移過程還可能與晚期激活抗原4及血管內皮生長因子的作用有關，并且其作用與SDF-1相似[12]。

Kedarisetty等[13]使用G-CSF治療失代償期肝硬化，提高了生存率，并且通過免疫組化檢測到這部分患者肝組織中CD34+、CD133+和S期蛋白Ki67增加。Wan等[14]在慢加急性肝衰竭患者中檢測到了更高的CD34+細胞數量，同時內源性的G-CSF含量增加，從而促進肝臟再生，減少肝損傷。Duan等[15]用G-CSF治療乙型肝炎相關慢加急性肝衰竭患者，觀察到外周血CD34+細胞的數量明顯增加，肝功能顯著改善，3個月生存率明顯提高（21.4％～48.1％，P=0.018）。Garg等[16]也發現G-CSF能夠提高酒精性慢加急性肝衰竭患者的生存率（29％～69.6％，P=0.003），同時發現使用G-CSF治療的患者肝組織中CD34+細胞增多。Lorenzini 等[17]發現15 μg/(kg·d)是動員BMC的最佳劑量，并且觀察到外周血中的CD34+和CD133+細胞明顯增多。Singh等[18]報道G-CSF能夠提高重癥酒精性肝炎患者的生存率，機制研究顯示G-CSF可以動員這些患者的CD34+BMC，并在肝臟定植和分化為成熟肝細胞。

1.2促進肝卵原細胞增殖和肝臟再生 卵原細胞被認為是肝臟祖細胞，存在于肝內膽道系統的末端小膽管內，位于肝實質組織與膽道的交界處，可分化為肝細胞、膽管上皮細胞以及一個多潛能的細胞亞群。當肝臟受到刺激時，卵原細胞轉化為CD44+細胞，進而形成網絡，轉化成實質細胞[19]。分化增殖反應分為激活、增殖、遷移和分化4個階段，最終分裂成肝實質細胞或膽管上皮細胞。G-CSF能夠提高內源性干細胞再生，其中包括卵原細胞[20]。已證實卵原細胞能夠表達G-CSF的受體[21]，Piscaglia等[22]的一項病例報道證明血漿置換和G-CSF治療能夠促進肝卵原細胞再生，而其中的作用分別為血漿置換清除循環中的有害因子，G-CSF促進肝細胞再生，因此G-CSF不但可以促進BMC再生，同時也可以促進內源性修復程序即卵原細胞的再生。Spahr等[3]在對酒精性脂肪性肝炎的研究中觀察到在接受G-CSF治療的患者中，通過免疫組化雙染Ki67/Ctokeratin 7（CK7）證明G-CSF能夠促進肝卵原細胞的增殖。實驗研究顯示在部分肝切除的大鼠模型中，在肝臟受損的早期階段，肝細胞生長因子（hepatatic growth factor, HGF）/c-Met能夠促進卵原細胞的早期擴增[21]。

Spahr等[3]的研究還發現G-CSF能夠增加HGF的含量。HGF除了能夠促進卵原細胞的早期擴增，還能夠促進多種基因的翻譯，如CyclinD1 在MAPK后的激活，以及HGF依賴信號通過蛋白降解來影響G1期組件的穩態性。研究發現HGF受體c-Met敲除小鼠的肝臟再生能力嚴重受損，且不能被其他受體所替代，所以HGF是一個不可替代的因子[23-25]。Ishikawa等[24]通過觀察二乙基二硫代氨基甲酸鈉（DDC）造成肝損傷的小鼠發現，c-Met基因敲除的小鼠肝細胞和膽管上皮細胞會有嚴重損傷，Ki-67蛋白含量下降，細胞外基質的產生和平衡受到破壞。Factor等[26]研究發現缺乏c-Met的小鼠在肝臟再生過程中會造成G2/M細胞周期停滯。Yannaki等[27]把G-CSF作為尚未被公認的HGF誘導劑。因此，G-CSF可通過增加HGF的含量從而促進肝臟再生。

雖然G-CSF可以通過動員BMC歸巢肝臟從而促進肝臟再生，然而愈來愈多研究者認為，G-CSF動員BMC歸巢肝臟并不是依靠BMC分化成為肝細胞，因為BMC遷移至肝臟的數量太少；而這個過程的作用更重要的可能是改善肝臟微環境，促進內源性卵原細胞反應。同時有研究認為無論在生理或病理情況下，造血干細胞對肝細胞的形成作用很小，可能是通過分泌一些細胞因子或生長因子來促進肝細胞功能，因此有理由認為G-CSF促進肝臟再生的主要作用是促進卵原細胞增殖[21，27-28]。

免疫失衡是目前公認的一些肝臟疾病如慢加急性肝衰竭的病因，例如，Th1分泌的干擾素γ和腫瘤壞死因子被認為與肝衰竭的發生有著重要關系[29-30]。目前的研究發現在自體移植以及同種異體外周血干細胞移植前應用G-CSF可以提高成功率[31]，因此有理由相信應用G-CSF可以促進免疫平衡。而肝臟再生的過程是個精密的免疫調節過程，如白細胞介素（interleukin, IL）-6能夠在肝卵原細胞移植后的7 d內調節卵原細胞的增殖[32]，而G-CSF有類IL-6的抗炎作用，因此是否可以推測G-CSF通過免疫調節與某些細胞因子共同作用來促進肝臟再生，還有待進一步研究。

雖然普遍認為G-CSF能夠改善肝細胞再生減少的肝衰竭患者的臨床癥狀，提高生存率，但同時也有研究證明在急性肝衰竭小鼠模型中，G-CSF并沒有通過動員BMC歸巢肝臟促進肝臟再生，反而會通過產生IL-1β損害肝臟再生[33]。這還有待于進一步研究證實。

2　結語

G-CSF以其安全性和有效性已被廣泛應用于臨床，但是仍有一些問題須要解決：①在肝損傷時，G-CSF能夠直接促進肝臟再生，也能夠通過動員造血干細胞后促進肝臟再生，二者之間的具體關系如何，G-CSF又是通過具體哪條通路促進肝臟再生的？②G-CSF與傳統的促進肝臟再生的細胞因子如HGF、表皮生長因子和轉化生長因子α之間的關系如何，它們之間是否有協同作用來促進肝臟再生？當肝臟再生到與人體比例合適的體積時，再生就會停止，G-CSF是否與停止的信號有相互作用？③在各種病因引起的肝損傷中，G-CSF治療的效果是否相同，治療的時機和劑量是否相同，在何種時機能夠使肝臟再生率達到最大？這些都須要在進一步的研究中得到驗證。

【參考文獻】

[1] Lanthier N, Rubbia-Brandt L, Lin-Marq N, et al. Hepatic cell proliferation plays a pivotal role in the prognosis of alcoholic hepatitis［J］. J Hepatol, 2015, 63(3):609-621.

[2] Chavez-Tapia NC, Mendiola-Pastrana I, Ornelas-Arroyo VJ, et al. Granulocyte-colony stimulating factor for acute-on-chronic liver failure: systematic review and meta-analysis［J］. Ann Hepatol, 2015, 14(5):631-641.

[3] Spahr L, Lambert JF, Rubbia-Brandt L, et al. Granulocyte-colony stimulating factor induces proliferation of hepatic progenitors in alcoholic steatohepatitis: a randomized trial［J］. Hepatology, 2008, 48(1):221-229.

[4] Sato Y, Araki H, Kato J, et al. Human mesenchymal stem cells xenografted directly to rat liver are differentiated into human hepatocytes without fusion［J］. Blood, 2005, 106(2):756-763.

[5] 張智峰，趙鋼，趙天宇，等. 重組人粒細胞集落刺激因子動員后自體外周血干細胞在大鼠纖維化肝臟內的發育［J］. 中國組織工程研究與臨床康復，2008，12(3):569-572.

[6] Yoshizato T, Watanabe-Okochi N, Nannya Y, et al. Prediction model for CD34 positive cell yield in peripheral blood stem cell collection on the fourth day after G-CSF administration in healthy donors［J］. Int J Hematol, 2013, 98(1):56-65.

[7] Gaia S, Smedile A , Omedè P, et al. Feasibility and safety of G-CSF administration to induce bone marrow-derived cells mobilization in patients with end stage liver disease［J］. J Hepatol, 2006, 45(1):13-19.

[8] Kimura M, Yamada T, Iwata H, et al. Preoperative granulocytecolony stimulating factor (G-CSF) treatment improves congested liver regeneration［J］. J Surg Res, 2010, 158(1):132-137.

[9] Ripa RS. Granulocyte-colony stimulating factor therapy to induce neovascularization in ischemic heart disease［J］. Dan Med J, 2012, 59(3):B4411.

[10] Lei Y, Liu ZW, Han QY, et al. G-CSF enhanced SDF-1 gradient between bone marrow and liver associated with mobilization ofperipheral blood CD34+cells in rats with acute liver failure［J］. Dig Dis Sci, 2010, 55(2):285-291.

[11] Kollet O, Shivtiel S, Chen YQ, et al. HGF, SDF-1, and MMP-9 are involved in stress-induced human CD34+stem cell recruitment to the liver［J］. J Clin Invest, 2003, 112(2):160-169.

[12] Di Campli C, Zocco MA, Saulnier N, et al. Safety and efficacy profile of G-CSF therapy in patients with acute on chronic liver failure［J］. Dig Liver Dis, 2007, 39(12):1071-1076.

[13] Kedarisetty CK, Anand L, Bhadoria AS, et al. Combination of granulocyte colony-stimulating factor and erythropoietin improves outcomes of patients with decompensated cirrhosis［J］. Gastroenterology, 2015, 148(7):1362-1370.

[14] Wan Z, You S, Rong Y, et al. CD34+hematopoietic stem cells mobilization, paralleled with multiple cytokines elevated in patients with HBV-related acute-on-chronic liver failure［J］. Dig Dis Sci, 2013, 58(2):448-457.

[15] Duan XZ, Liu FF, Hu JH, et al. Granulocyte-colony stimulating factor therapy improves survival in patients with hepatitis B virus-associated acute-on-chronic liver failure［J］. World J Gastroenterol, 2013, 19(7):1104-1110.

[16] Garg V, Garg HK, Khan A, et al. Granulocyte-colony stimulating factor mobilizes CD34+cells and improves survival of patients with acute-on-chronic liver failure［J］. Gastroenterology, 2012, 142(3):505-512.

[17] Lorenzini S, Isidori A, Catani L, et al. Stem cell mobilization and collection in patients with liver cirrhosis［J］. Aliment Pharmacol Ther, 2008, 27(10):932-939.

[18] Singh V, Sharma AK, Narasimhan RL, et al. Granulocyte colonystimulating factor in severe alcoholic hepatitis: a randomized pilot study［J］. Am J Gastroenterol, 2014, 109(9):1417-1423.

[19] Chiu CC, Sheu JC, Chen CH, et al. Global gene expression profiling reveals a key role of CD44 in hepatic oval-cell reaction after 2-AAF/CCl4 injury in rodents［J］. Histochem Cell Biol, 2009, 132(5):479-489.

[20] Than NN, Newsome PN. Stem cells for liver regeneration［J］. QJM, 2014, 107(6):417-421.

[21] Piscaglia AC, Shupe TD, Oh SH, et al. Granulocyte-colony stimulating factor promotes liver repair and induces oval cell migration and proliferation in rats［J］. Gastroenterology, 2007, 133(2):619-631.

[22] Piscaglia AC, Arena V, Passalacqua S, et al. A case of granulocytecolony stimulating factor/plasmapheresis-induced activation of granulocyte-colony stimulating factor-positive hepatic progenitors in acute-on-chronic liver failure［J］. Hepatology, 2015, 62(2):649-652.

[23] Borowiak M, Garratt AN, Wüstefeld T, et al. Met provides essential signals for liver regeneration［J］. Proc Natl Acad Sci U S A, 2004, 101(29):10608-10613.

[24] Ishikawa T, Factor VM, Marquardt JU, et al. Hepatocyte growth factor/c-met signaling is required for stem-cell-mediated liver regeneration in mice［J］. Hepatology, 2012, 55(4):1215-1226.

[25] Hu Z, Evarts RP, Fujio K, et al. Expression of hepatocyte growth factor and c-met genes during hepatic differentiation and liver development in the rat［J］. Am J Pathol, 1993, 142(6):1823-1830.

[26] Factor VM, Seo D, Ishikawa T, et al. Loss of c-Met disrupts gene expression program required for G2/M progression during liver regeneration in mice［J］. PLoS One, 2010, 5(9):e12739.

[27] Yannaki E, Athanasiou E, Xagorari A, et al. G-CSF-primed hematopoietic stem cells or G-CSF per se accelerate recovery and improve survival after liver injury, predominantly by promoting endogenous repair programs［J］. Exp Hematol, 2005, 33(1):108-119.

[28] Thorgeirsson SS, Grisham JW. Hematopoietic cells as hepatocyte stem cells: a critical review of the evidence［J］. Hepatology, 2006, 43(1):2-8.

[29] Galun E, Axelrod JH. The role of cytokines in liver failure and regeneration: potential new molecular therapies［J］. Biochim Biophys Act, 2002, 1592(3):345-358.

[30] Odeh M, Sabo E, Srugo I, et al. Serum levels of tumor necrosis factor-alpha correlate with severity of hepatic encephalopathy due to chronic liver failure［J］. Liver Int, 2004, 24(2):110-116.

[31] Schmitt M, Publicover A, Orchard KH, et al. Biosimilar G-CSF based mobilization of peripheral blood hematopoietic stem cells for autologous and allogeneicstem cell transplantation［J］. Theranostics, 2014, 4(3):280-289.

[32] Best J, Dollé L, Manka P, et al. Role of liver progenitors in acute liver injury［J］. Front Physiol, 2013, 4:258.

[33] Ogiso T, Nagaki M, Takai S, et al. Granulocyte colony-stimulating factor impairs liver regeneration in mice through the up-regulation of interleukin-1beta［J］. J Hepatol, 2007, 47(6):816-825.

（2015-11-10 收稿 2016-01-19 修回）

（責任編委 張玲霞 本文編輯 王 姝）

Mechanism of granulocyte-colony stimulating factor accelerating liver regeneration

XU Xiang, HU Jin-hua*
Liver Failure Treatment and Research Center, 302 Military Hospital of China-Peking University Teaching Hospital, Beijing 100039, China
*Corresponding author, E-mail: hjh@medmail.com.cn

[Abstract]The liver is unique in its ability to regenerate itself and thereby restore its original mass and function after injury. Nowadays, increasing evidence suggests that the granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF) plays important roles in accelerating the liver regeneration process. The deep understanding of the effect of G-CSF on liver regeneration has important significance in the use of G-CSF for the treatment of patients with liver injury to accelerate the liver regeneration and improve survival. This review focuses on the mechanism of G-CSF in accelerating liver regeneration.

[Key words]granulocyte colony-stimulating factor; liver regeneration; stem cells

[通訊作者]胡瑾華，E-mail: hjh@medmail.com.cn

[基金項目]國家自然科學基金 （81171641）；北京市科技計劃首都臨床特色應用研究項目（Z131107002213157）

DOI:10.3969/j.issn.1007-8134.2016.02.016

[文獻標志碼][中國圖書資料分類號] R392.114 A

[文章編號]1007-8134(2016)02-0125-04