自噬對移植后MSCs生存影響及中藥干預作用的研究進展*

李程豪，劉永琦，駱亞莉，伍志偉

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

間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs) 兼具自我更新和多間質分化的能力，能夠促進多種細胞組織再生[1]，已成為多個領域細胞替代治療和組織工程學的首選種子細胞[2]。雖然MSCs移植對眾多疾病的治療作用備受重視，但其還存在許多問題制約其在臨床中的應用。首先，移植部位的特殊環境使MSCs很難長期存活；其次，MSCs在這些環境中的生存機制不明，影響了對有效保證其生存藥物的選擇[3]。以上均是干細胞治療應用于臨床需要解決的問題。

自噬是廣泛存在于真核生物細胞中的一種自我保護機制，當有外界刺激因素存在時，細胞可以通過啟動自噬來減輕外在的刺激作用，使細胞處于相對穩定的生理狀態，生物學穩定性得以維持[4]，對移植后的細胞存活密切相關[5]。因此，一定程度的自噬作用對移植干細胞在特殊環境中存活并且持續增殖具有重要意義[6-7]。傳統中藥及其有效成分具有對特殊環境中細胞生物學形狀的調控作用，但部分作用機制尚不明確[8]。將傳統中藥與自噬間的相互關系運用于干細胞的研究中，這可能是解決特殊環境中MSCs生存等一些列問題的新思路。但目前對于自噬與干細胞在這些環境中生存關系及相關中藥的干預作用尚不清楚。本文將針對自噬對干細胞移植中可能存在應激環境中的影響及中藥干預作用進行討論。

1 應激條件下細胞自噬的雙重性

圖1顯示，自噬作為細胞自我調節的生理機制，在正?；蚴遣±頎顟B下均有發生[6]。但是干預條件的差異，使自噬對細胞調節具有雙重調節性。特殊環境會引起細胞發生應激反應，同時也極易誘發自噬作用的改變。自噬作為一種細胞的防御機制，可以通過自噬小體對受損細胞器及DNA進行吞噬，并被降解成為小分子物質，為細胞提供能量，使其內環境處于相對穩態[9-10]。然而不論是應激信號的作用強度或是持續時間，均能對自噬程序活化的最終結果造成較大影響。應激信號高強度或長時間的刺激會導致細胞自噬過度，引起自噬體堆積。在自噬壓力的影響下，細胞凋亡更易發生[11]。

圖1 自噬對細胞的雙重性

2 缺血性疾病與MSCs自噬及中藥的影響

對于缺血性疾病的治療多是從開通血管、改善血供、提高血液利用率等方面考慮，這些方法僅局限于保證血流的再灌注。而干細胞一方面可以分化生成新生組織及血管[12]，另一方面可通過分泌多種生長因子對其組織及血管進行修復[13]，因此干細胞治療逐漸成為缺血性疾病的理想治療方法。Rigol[14]在心梗梗死部位注射脂肪間充質干細胞，經組織學檢測發現室壁厚度增加，移植的細胞分化為心肌細胞，有效地促進了心肌功能的恢復。雖然干細胞在缺血性疾病中具有廣泛的應用前景，但在缺血缺氧條件下移植后存活率較低的問題仍制約了其臨床應用。

2.1 缺血缺氧與氧化應激對MSCs自噬的影響

多項研究證實，在營養缺乏、缺血缺氧等條件下，自噬會被激活參與多種疾病的病理生理活動[15-16]。通過電鏡可以發現，新生兒相對缺氧心肌細胞存在大量自噬小體[17]。線粒體自噬在腦缺血早期被激活，可抑制缺氧環境下線粒體途徑引起的MSCs凋亡,而這種保護作用可以通過激活JAK2/PI3K/AKT/STAT3信號通路而產生[18]。但同時自噬也是引發缺氧環境中MSCs凋亡發生的重要因素。當BMSCs分別在缺氧、血清剝奪環境中培養6、12、24 h后發現，自噬可引發凋亡并呈時間依賴性[16]，提示缺血缺氧環境不僅能夠引發自噬，長時間作用將誘發自噬性凋亡。

在缺血性疾病中，氧化應激能導致再灌注損傷以及過度自噬發生[19]。經過20 min缺氧干預的心肌細胞內出現自噬小體且逐步增多，供氧恢復后自噬小體的數量進一步增加[20]。相比較缺血階段，自噬現象在再灌注階段更加明顯，甚至導致過度自噬引起細胞死亡和組織損傷。在再灌注損傷過程中，自噬的發生主要包括兩方面因素，一是氧化應激所產生的大量自由基造成線粒體損傷，二是細胞內質網產生大量錯誤折疊蛋白[21]。因此，在眾多因素的疊加作用下，氧化應激可誘發過度自噬引起再灌注損傷。

2.2 中藥通過自噬對MSCs生存的影響

恰當的自噬作用對缺氧缺血環境中的MSCs生存至關重要，甚至可能是MSCs在缺血缺氧環境中提高存活率的新策略[15]。AMPK-mTOR-ULK1通路的激活，可促進缺氧階段保護性自噬發生，而Akt-Bcl2-Beclin1通路可以抑制復氧階段過度自噬，促進MSCs在缺氧復氧環境中的生存和功能[22]。吳茱萸堿可通過JNK通路激活自噬，維持中風性缺血環境中神經細胞的正常生理活動[23]。中藥對于自噬引起的再灌注損傷同樣有調控作用。在缺血干預1.5 h、再灌注24 h后的小鼠腦組織中，經人參皂苷干預后腦組織細胞自噬活性受到控制，且梗死面積更少，神經元更完整[24]。現代藥理學研究發現，黨參具有抑制自噬的作用，其主要成分黨參多糖(codonopsis pilosula polysaccharide，CPPS)能夠在缺血再灌注損傷中調控神經細胞的自噬作用，防止小鼠腦組織損傷[25]。

3 電離輻射與MSCs自噬及中藥的影響

在腫瘤治療研究中，生物治療越來越受到關注。MSCs具有免疫原性低、腫瘤趨向性及易于導入各種基因的優良特性[1]，常作為靶向抗癌基因或藥物載體運用于腫瘤生物治療的研究中，并擁有廣泛的應用前景[26]。但目前在腫瘤的治療手段中多以放療為主，并輔以生物治療。因此，作為生物治療的重要載體，MSCs在電離輻射環境中是否能夠存活是其發揮載體功能的前提。

3.1 電離輻射對MSCs自噬的影響

細胞在電離輻射條件下DNA會發生損傷，大量活性氧化物(reactive oxygen species，ROS)在胞內過量堆積對細胞造成傷害[27]。為保護細胞，對抗損傷，多種防御機制啟動，包括通過激活細胞自噬降解損傷的細胞器，緩解廢物堆積對細胞的傷害[28]。如果自噬受到抑制，放射性治療所導致的細胞內ROS堆積和DNA損傷將無法得到及時清除和修復，會嚴重影響MSCs生物學功能[27]。輻射可以通過ERK、AMPK等通路激活細胞自噬活性[ 29]。MSCs通過啟動自噬功能，能對電離輻射所損傷的細胞器進行清除，有效地減少ROS堆積，同時緩解細胞 DNA損傷，因此受到電離輻射后的MSCs大部分依然能夠存活。

電離輻射可以誘導MSCs自噬和凋亡發生，在細胞中可同時觀察到胞漿中自噬泡的積聚以及胞核中染色質的濃縮聚集，兩者可先后發生或同時存在[30]。大量研究證實，自噬是凋亡的啟動因素之一，即當細胞受到放射刺激后，啟動自噬機制作為存活途徑之一，但當損傷超過了一定程度時，過度的自噬則會激活凋亡程序，發生不可逆的程序性死亡[31]。

3.2 中藥通過自噬對輻射影響

自噬受到抑制后，輻射對MSCs增殖與分化能力抑制作用明顯。細胞通過自噬可緩解輻射對 MSCs 自我更新和分化能力的傷害，干性將得到有效維持[32]。 陳哲[33]等通過放射干預經過自噬激動劑雷帕霉素誘導的骨髓MSCs發現，細胞內自噬微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ蛋白高表達，保護 MSCs 不受放射損傷。在輻射條件下，部分中藥有效成分可起到對細胞自噬的調控作用。烏蘇酸不僅能通過AMPK信號通路誘導細胞自噬的發生，還可以誘導提高 MAPK 信號通路下游通路JNK的磷酸化水平激活自噬[34]。人參皂苷也能通過對細胞自噬的激活作用，減輕電離輻射引起的細胞損傷[35]。

4 炎癥環境中MSCs的自噬作用

干細胞在炎癥相關疾病中應用廣泛。腸道炎癥會導致腸道損傷，Zhang Q[36]等將MSCs移植于損傷局部后，其通過參與修復、促進微循環重建等途徑對損傷進行修復。將BMMSCs移植到哮喘模型小鼠氣管內，氣道炎癥反應、肺損傷程度均明顯減輕[37]。因此，具有正常生物學特性的MSCs對炎癥性相關疾病相關損傷修復的應用前景廣闊。但種植于炎癥部位的MSCs通常會遇到存活率較低等問題，制約了MSCs在炎癥相關疾病中的應用研究[38]。

4.1 炎癥對MSCs自噬的影響

應激因素能夠誘導MSCs自噬作用發生改變。在炎性環境中，炎性因子可以誘導MSCs自噬發生。自身免疫性腦脊髓炎小鼠的BMMSCs具有較高的自噬活性，在炎性因子作用下，自噬成為調控MSCs 生物學功能的途徑之一[39]。炎性因子γ干擾素對人胎盤來源的 MSCs 胞內自噬體的形成有明顯刺激作用[40]。炎性因子可以通過AMPK、NF-KB、AKT、ERK等經典炎性通路調控自噬活性，調節細胞生物學活動[41-42]。但是過度的炎性因子刺激會造成細胞自噬的誘導過度，不但無法保護細胞還會加速細胞凋亡[30]。

4.2 中藥通過自噬對炎癥影響

大量研究發現，在眾多炎癥相關疾病中，中藥有效成分能夠對細胞的自噬起到調節作用，而細胞自噬可以對炎癥環境中炎性因子的產生造成影響。有研究發現，在中藥提取物白藜蘆醇的干預作用下，血管內皮炎所造成的炎癥和損傷均減弱；而在炎癥部位，促炎因子TNF-α表達降低明顯，同時檢測到臍靜脈內皮細胞(hUVecs)自噬作用顯著。提示中藥提取物白藜蘆醇通過誘導細胞自噬降低促炎因子的產生，減輕炎癥作用[43]。中藥提取物黃連素在對動脈粥樣硬化干預實驗中，通過對AMPK/mTOR信號通路激活誘導自噬發生，局部巨噬細胞炎性因子產生受到抑制，炎癥反應程度降低[44]，提示中藥有效成分能夠通過對自噬作用的調節來影響炎癥反應。

5 小結與展望

綜上所述，在缺血缺氧、電離輻射和炎癥等應激環境中，自噬對間充質干細胞具有雙向調節作用：在應激因素的誘導下，細胞自噬作用加強，并通過對受損細胞器及DNA進行自我吞噬而產生能量，使細胞處于相對穩定狀態[10]；但是刺激過度也會導致自噬的不斷加強，最終引起細胞的程序性死亡。因此，適量的自噬對應急條件下間充質干細胞的生存有一定的積極作用，過量的自噬將加速其凋亡[11]。因此，自噬作用的調節對于移植后間充質干細胞在應激環境中的存活十分重要。而且在不同的條件下，需要根據具體的情況對自噬進行激活或抑制，提示自噬在 MSCs 生物學功能的調控具有一定的復雜性。

而傳統中藥在現代化學實驗、生物信息分析的支持下，體現出對細胞生物特性良好的調控作用[8]。部分中藥及其有效成分能夠通過對自噬的調控來提高間充質干細胞移植的存活率，將極大地促進其在臨床上的應用。同時，通過對自噬與干細胞相關特性關系的了解，將有利于進一步對傳統中藥的挖掘，也是研究新藥物的新方向。