脂肪組織來源干細胞調控血管生成的研究進展

李 凱，樊 欣 綜述，吳劍波 審校

（西南醫科大學藥物與功能性食品研究中心，四川瀘州 646000）

1 脂肪組織來源干細胞：來源，免疫表型以及生理環境需求

脂肪組織是具有代謝和調控作用以及高再生潛能的器官。脂肪組織可以對生理刺激作出反應[1]，如白色脂肪組織對禁食和進食的應激反應以及棕色脂肪組織對體溫降低的應激反應。成熟脂肪細胞的代謝活動主要有脂肪生成，脂解作用，糖酵解和氧化磷酸化反應，這些代謝活動一般由線粒體控制。

成年人的血管周圍脂肪組織同時具有白色脂肪組織和棕色脂肪組織的生理特性，其代謝活動可能對血管張力，血管重塑，血管生成以及產熱作用等產生影響。外周血管周圍脂肪組織（PVAT）分泌地脂聯素可以激活平滑肌細胞的鈣激活鉀通道（BKCa）[2]從而導致血管舒張。與衰老相關的血管功能障礙與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張的改變相關[4]。因此，由于作用于鄰近內皮細胞和血管平滑肌細胞（SMCs）的血管活性物質分泌地不平衡，成年人PVAT異常的代謝活動會導致血管舒縮機制的解除，從而導致血管功能障礙。

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

血管周圍脂肪組織增殖微環境的建立為調節脂肪干細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 會導致PDGFRβ 和VEGFR的激活，導致較為廣泛的局部血管新生，從而加強ASCs 與血管微環境的結合。因此，PPARγ 配體的局部濃度有可能是影響ASCs在血管周圍微環境中生存發展的關鍵因素。在ASCs中，CD73的表達表明腺苷酸調節機制的參與在干細胞形成過程中的調節作用：干細胞表達CD39 或者SVF 調節T 細胞可能會導致三磷酸腺苷（ATP）降解生成單磷酸腺苷（AMP），而ASCs 表達CD73 可以使單磷酸腺苷生成腺苷[11-12]。在SVF 微環境中，通過表達干細胞的CD38/NAD+糖水解酶活性將NAD+轉化為ADP-核糖，進而通過巨噬細胞表達CD203a 活性將ADP-核糖轉化為AMP，從而產生腺苷。在被激活的免疫細胞中[13]，CD73 參與的反應也可能會導致腺苷的產生。間充質干細胞以及白色和棕色脂肪組織中的脂肪細胞表達腺苷受體[14-15]；因此，腺苷以及腺苷受體的調節會影響脂肪形成：腺苷激活棕色脂肪細胞以及米色脂肪細胞[16]，促進分化，并且抑制脂肪細胞內的脂類分解[17]。

2 乳酸和NAD+在脂肪組織微環境中的代謝

脂肪細胞對脂肪酸的利用以及乳酸的產生是為機體提供能量的主要方式，并且通過脂肪細胞線粒體氧化和磷酸化的解偶聯產熱[18]。乳酸的糖酵解產物及其通過單羧酸轉運體(MCTs)的轉運調控棕色脂肪細胞的代謝活動，從而產熱。

脂肪組織的這些代謝和調節活動對ASCs會產生怎樣的影響？脂肪干細胞，以及其他所有具有多向分化潛能的細胞，在極大程度上依賴糖酵解活動，糖酵解的代謝產物是維持干細胞數量并且防止其不適當或不可控的補充所必需的[19]。脂肪細胞的糖酵解是脂肪細胞必要的功能性活動，但是不同位置脂肪組織的糖酵解是不同的[20]。棕色脂肪細胞的糖酵解活動取決于HIF-1的轉錄活動，葡萄糖轉運體（GLUT）的表達以及糖分解酶的作用[21]。

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

在白色脂肪組織中，糖酵解酶的表達在脂肪細胞的生長過程中逐漸升高，糖酵解活動在線粒體的解偶聯過程中被同時激活[27]。棕色脂肪細胞與白色脂肪細胞不同的是，棕色脂肪細胞使更多的葡萄糖轉化為乳酸和丙酮酸鹽，只有小部分轉化為脂肪酸（脂質新生）[28]。減少脂質新生可能與脂肪組織中的胰島素抵抗有關，也可能反映了脂肪酸衍生物在作為調節因子的過程中產生的次要變化（蛋白質乙?；饔?，PPARγ 通路）[29]。因此，BADSCs 以及在脂肪組織微環境中的周圍細胞的糖酵解活動的動態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胞的分化。

糖酵解和乳酸的產生的另一個重要特性是細胞內NAD+再生與丙酮酸-乳酸轉化相結合。因此，在BADSCs 生長早期階段更大程度的糖酵解以及更高的乳酸的產量，對于維持細胞內NAD+水平，以滿足增殖和分化細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行反向轉化并增加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微環境的細胞的分化應該與細胞內NAD+的消耗有關。

脂肪細胞有完整的NAD+產生和消耗的機制。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 或者去乙酰化酶）。NAD+糖水解酶/CD38 是具有鈣離子激活性能的受體和產生酶的第二信使，并且廣泛表達與大腦，肝，脂肪組織和免疫細胞。隨著年齡的增長，在成熟脂肪組織的CD38的表達的逐漸增加與細胞內NAD+消耗的水平相關，并可能以依賴去乙?；傅姆绞綄е戮€粒體功能障礙[30]。最近，一個包含流式細胞術，細胞分選和免疫組化的復雜實驗證明CD38作用于脂肪分化，因此可以被看作前脂肪細胞的標志物；因此，在脂肪大量產生的過程中，增殖潛能降低的CD38+免疫陽性細胞的數量增加[31]。我們推測在前脂肪細胞分化階段SVF微環境可能會出現CD38表達的升高從而對應于糖酵解的相對抑制。由于這兩種機制(CD38 的過表達和糖酵解的減少)，ASCs 細胞內NAD+水平可能會顯著降低。

在棕色脂肪組織中，各種去乙酰化酶的激活是調節線粒體數量，線粒體呼吸作用，葡萄糖攝取，產熱所必需的，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 及其周圍細胞中的表達水平，表明了糖酵解強度、代謝和ASCs克隆能力之間的聯系。

3 脂肪組織微環境中的促血管生成活性

SVF 微環境是血管生成的平臺，其中VEGF 和PDGF 是主要的調控信號[33-34]。最近的研究表明SVF 是內皮祖細胞，內皮細胞以及周皮細胞的重要來源之一，因此對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大血管生成潛能的可溶性因子的分泌導致的，如血管內皮生長因子（VEGF），酸性成纖維細胞生長因子（aFGF），單核細胞化學引誘物蛋白1（MCP-1），胰島素樣生長因子結合蛋白-3（IGFBP-3），膠質細胞源性神經營養因子（GDNF），以及肝細胞生長因子（HGF）[37-38]。CD248是周皮細胞生長發育的陽性調節因子[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，脂肪組織血管內皮細胞可能在其體內分化的極早階段通過緊密連接蛋白耦聯產生新的脂肪細胞[42]。

脂肪組織的抗血管生成活性依賴于脂聯素，內皮抑素，血小板反應蛋白-1，可溶性VEGF 2型受體，以及轉化生長因子-β 等的分泌[35]。脂肪細胞的功能活動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胞的VEGFA 的生成，它可以直接刺激脂肪細胞前提和內皮細胞的分化[43]。與之相反的是，從脂肪細胞中分泌的脂肪酸可以作為PPAR 受體的配體，從而影響內皮細胞，正如通過血腦屏障（BBB）在大腦微血管內皮細胞中表達PPARα 受體，從而導致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皮細胞（BMECs）來刺激血管生成[45]。

上述提及內皮細胞和周皮細胞可能是ASCs的前體細胞[42]。實際上，內皮細胞和ASCs 之間的聯系對于在干細胞中誘導促血管或抗血管生成的分泌活動是必需的。比如，內皮細胞在體內與ASCs相互聯系，誘導激活素A的表達，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皮祖細胞（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]。考慮到脂肪細胞與內皮細胞之間的緊密聯系以及其譜系間的高度可塑性，ASCs的間充質-內皮轉化[48]會導致多種病理生理學和生理學過程的發生，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ASCs 的間充質-內皮轉化應該與過多的脂肪形成和脂肪組織簇的擴大有關。眾所周知，缺氧總是與乳酸的聚集相聯系；因此，SVF微環境內局部乳酸的產生可以調控ASCs分化為內皮細胞。實際上，乳酸是血管生成的積極調控因子，并且具有克隆能力的位置在乳酸充足的微環境下可能會在大量脂肪形成的區域促進血管新生。乳酸的促血管生成的作用通常需要IL-8介導的內皮細胞的增殖[50]，脂肪組織似乎是釋放入循環系統的IL-8 的重要來源之一[51]。最近來有關微重力刺激下ASCs 血管生成的實驗數據（絲氨酸蛋白酶抑制劑E1，絲氨酸蛋白酶抑制劑F1，胰島素生長因子結合蛋白（IGFBP），VEGF，以及IL-8 等在脂肪組織中的表達水平升高）部分證實了SVF 微環境乳酸介導的促血管生成作用機制。

總之，SVF中的ASCs由多能干細胞組成，這些干細胞可以被認為是血管生成的前體細胞，能夠分化為內皮細胞和周皮細胞，支持血管生成和血管重構。因此，有理由認為ASCs來源細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胞。

4 結論

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干細胞(改善神經發生、減少突膠質細胞發生、突觸發生和腦血管生成)后已獲得陽性結果[52]。在圍產期缺氧缺血性腦損傷的新生大鼠中，當ASCs植入脂肪干細胞來源的EPCs和神經祖細胞時，它們的狀態得到了改善[53]。阿爾茨海默癥的發病機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應用的下一個階段是將血液微血管體外網絡工程作為藥物測試平臺，或作為基于單獨培養或與內皮細胞共培養的ASCs的植入物。與骨髓間充質干細胞相比，ASCs的多譜系特性(通過將ASCs 分化為廣譜細胞來評估)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激敏感性來證實)使它們成為生物工程研究的有良好前景的候選細胞。

總而言之，在過去的幾十年里，在研究ASCs功能活動的分子機制方面，特別是在控制血管生成方面取得了顯著的進展。血管支架存在于真實的微環境中（脂肪組織SVF，骨髓微環境、腦神經源性微環境、低血管性微環境），并且可在體外復制，因此可以對干細胞數量的維持以及干細胞分化的控制提供足夠的支持，為優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雜治療中。