交感神經及其神經遞質調控間充質干細胞的研究進展

陳美雄，鄭凱，徐明奎，袁仕國

1.海南省中醫院骨傷科，海南 海口 570203；2.右江民族醫學院基礎醫學院，廣西 百色 533000

間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)又被稱為多潛能基質細胞，是屬于中胚層的一類多能成體干細胞，主要存在于結締組織和器官間質中，在適宜條件下可分化為脂肪、骨、軟骨等多種組織細胞。MSCs主要包括骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs)、脂肪間充質干細胞(adipose-derived mesenchymal stem cells，ADMSCs)、臍血間充質干細胞等，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其表達的標志可能不同，如ADMSCs表達CD49d，不表達CD106，而BMMSCs則相反[1]，另外ADMSCs不表達幾種蛋白質，這些蛋白質被認為是其他干細胞群體中“干性”的標志物，包括端粒酶、CD133和膜轉運蛋白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。近年來發現交感神經系統(sympathetic nervous system，SNS)對干細胞存在多位點、多階段的影響和調控。而SNS易于藥物等干預，如能明確SNS對干細胞調控的機制、方式、階段等等，對于MSCs的臨床應用以及調控MSCs修復損傷、衰老組織等將提供良好的工具和平臺。本文就SNS及其神經遞質與MSCs的關系展開綜述，為進一步研究MSCs和可能的臨床應用提供參考。

1 SNS及其神經遞質對BMMSCs的調控

SNS是BMMSCs微環境的重要組成部分，去甲腎上腺素(norepinephrine，NE)調節這些細胞的生物活性。NE對BMMSCs的作用可能是復雜的雙向作用。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BMMSCs的增殖，并刺激BMMSCs的DNA合成；但也有研究發現NE負向調控BMMSCs增殖及分化能力，并抑制BMMSCs在基質細胞衍生因子-1誘導下的遷移能力[2-3]。研究發現β3-AR信號調節BMMSCs微環境，降低基質細胞衍生因子-1表達，形成更多增殖和分化能力得到提升的內皮祖細胞集落，從而調節內皮祖細胞的生物學特征[4]。

1.1 SNS調控BMMSCs的成骨分化MSCs表達不同亞型的AR 感覺神經和SNS調節肢體發育過程中和軟骨內骨化過程中BMMSCs的骨-軟骨分化[5]。研究發現，年輕小鼠SNS張力高可驅動低骨礦物質密度表型的發生，至少起部分作用[6]。BMMSCs上存在β2-AR，SNS遞質可能通過作用于BMMSCs上的β2-AR而調節BMMSCs向成骨細胞的分化，同時β2-AR激動劑/拮抗劑可能通過調節BMMSCs的過氧化物酶體增殖物激活受體γ2而影響BMMSCs的分化方向，從而參與骨代謝的調節。另有研究認為是β1-AR，而不是β2-AR，可能參與大鼠的BMMSCs的成骨分化；而β1-AR的高表達可能會抑制β2-AR對BMMSCs的影響[7]。失調的交感神經活動可能通過MSCs導致阿爾茨海默癥相關的骨質流失[8]。SNS去神經支配可促進BMMSCs動員，從而增強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皮細胞的基質細胞衍生因子-1的分泌，從而抑制BMMSCs遷移，達到抑制成骨的效果[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信號可直接調控BMMSCs成骨分化能力[11]。miR-21調控失重條件下SNS激活誘發的骨質疏松，其機制可能是BMMSCs對SNS信號的響應促進了microRNA經外泌體的釋放和向破骨細胞的轉運[12]。有意思的是，心理應激介導腎上腺素通過減少miR-21表達抑制BMMSCs的成骨分化，miR-21的過表達逆轉了腎上腺素對BMMSCs成骨分化的阻礙作用，表明心理壓力、心理應激調節骨代謝[13]。

1.2 BMMSCs調控心臟SNS的重構 BMMSCs移植可以改善心衰大鼠的心臟功能，BMMSCs移植后神經生長因子表達增加，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通過神經生長因子在心肌梗死大鼠模型中促進心臟神經芽生[14]，并且促進心肌肌腱蛋白的過表達。BMMSCs移植能顯著減輕心肌梗死后心臟自主神經功能的紊亂，其機制與BMMSCs移植促進心肌細胞等修復、減少心臟交感神經重構有關；可能通過旁分泌途徑抑制心肌成纖維細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]。低氧環境能顯著上調大鼠BMMSCs的SNS重構相關因子的表達水平，促進心肌SNS重構[15]。

1.3 SNS介導BMMSCs調節造血和相關疾病 在發育的骨髓中，BMMSCs形成造血干細胞的微環境，并且BMMSCs與SNS外周神經元和神經膠質細胞共同起源，并且特征不同的BMMSCs在軟骨形成和造血干細胞微環境形成中具有不同的功能[16]。SNS纖維通過調控骨髓nestin+MSCs對正常的造血干細胞有維持作用，給予神經保護藥物或擬SNS藥物可防止造血干細胞突變體增殖，用恢復nestin+MSCs的β3-AR激動劑治療可通過間接減少白血病干細胞的數量來阻止骨髓增生性腫瘤的進展[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調節血糖代謝 在糖尿病中BMMSCs的數量減少并且分化受損，且常伴隨SNS損傷，NE可防止高糖誘導的BMMSCs凋亡，這種保護作用可能通過AKT/B細胞CLL/淋巴瘤2途徑[19]。糖尿病患者骨髓中SNS末梢的數量明顯減少[20]，導致微環境功能改變而損害造血干細胞的動員，造血干細胞和造血祖細胞異常定位于糖尿病小鼠的骨髓微環境中，并且SNS末端的數量和功能的異常與這種錯誤定位相關。BMMSCs對造血干細胞和造血祖細胞的動員至關重要，對骨髓β-AR刺激的異常反應包括nestin+MSCs不能響應粒細胞集落刺激因子治療而下調CXCL12。BMMSCs治療可促進心臟神經芽生并增加副交感神經系統與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展，改善腎功能和結構[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]。研究發現電針激活感覺神經節和SNS中樞介導BMMSCs的釋放，增強組織修復，增加抗炎細胞因子的產生并明顯緩解疼痛[23]。

2 SNS及其神經遞質對ADMSCs的調控

2.1 SNS通過ADMSCs調控脂肪代謝 衰老與棕色脂肪組織退化可能有非常多的相關性，包括增齡性SNS損傷對棕色ADMSCs/脂肪祖細胞功能的改變和內分泌信號的變化等等[24]。ADMSCs衍生的介質在體外促進多形核細胞形成，肥胖對遠處器官損傷的影響可能取決于患者體質量指數和與損傷相關的SNS反應，這些結果表明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，在單細胞中使用鈣成像發現只有(6.9±0.8)%的ADMSCs通過細胞內鈣釋放對NE起反應。

2.2 SNS調控ADMSCs影響創傷與關節炎的發展 在創傷和骨關節炎患者的滑液中檢測到神經遞質NE，滑膜ADMSCs表達α1A-、α1B-、α2A-、α2B-、α2C-和β2-AR，NE通過激活α2A-AR介導的細胞外信號調節激酶1/2信號通路，抑制滑膜ADMSCs向軟骨分化[26]。滑膜ADMSCs可以分化為表達兒茶酚胺的SNS元樣細胞，以治療實驗性關節炎[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過度神經支配和心律失常，表明正丁基苯酞預處理和ADMSCs之間達到了協同作用[28]。

3 SNS及其神經遞質對其他MSCs的調控

3.1 SNS及其神經遞質對毛囊干細胞的調控 當交感神經接近毛囊干細胞時，成束的神經內膜僅在面向毛囊干細胞的一側打開，將神經纖維暴露于毛囊干細胞，從而更好地增強神經遞質向毛囊干細胞的擴散。這表明交感神經支配毛囊外隆起區和毛胚層中的毛囊干細胞。在沒有交感神經信號的情況下，毛囊干細胞通過下調細胞周期和代謝同時上調靜止調節因子Foxp1和Fgf18進入深度靜止。在發育過程中，毛囊干細胞后代會分泌Sonic Hedgehog來指導豎毛肌交感神經干細胞巢的形成，進而控制毛囊的再生[29]。研究發現動物眼睛受光刺激后，可導致毛囊干細胞的快速激活，具有突出的毛發再生作用[28]。這種機理是：光信號由M1型本征光敏視網膜神經節細胞傳導，其通過黑視蛋白向視交叉上核發信號。隨后，立即激活傳出SNS，增加皮膚中NE的釋放，促進刺猬蛋白信號激活毛囊干細胞。因此，外部光可以通過視網膜神經節細胞-視交叉上核-SNS通路直接調節組織干細胞。由于SNS的激活不限于皮膚，該通路還可以促進對其他穩態組織中的外部光的快速適應性反應[28]。

3.2 SNS及其神經遞質對肌衛星細胞的調控 骨骼肌衛星細胞是肌肉穩態和修復的關鍵干細胞，有研究發現β1-AR和β2-AR在C2C12細胞(衛星細胞系)中表達，連續暴露在異丙腎上腺素中，C2C12細胞分化和成肌細胞融合都受到抑制。連續單劑量異丙腎上腺素增加C2C12細胞中的β1-AR表達。異丙腎上腺素的持續暴露部分地通過蛋白激酶A-細胞外信號調節激酶1/2-Forkhead轉錄因子信號傳導途徑抑制肌衛星細胞分化和成肌細胞融合，其與β2-AR降低和β1-AR增加水平相關[30]。同時研究發現老年小鼠骨骼肌交感神經活性降低，交感神經活性可能是構成衛星細胞干細胞巢的成分之一，β2-AR激動劑克倫特羅可能通過穩定衛星細胞微環境中的交感神經活性而促進老年小鼠骨骼肌損傷的修復[31]。

3.3 SNS及其神經遞質對腸上皮干細胞的調控 腸上皮干細胞位于組織的隱窩內并負責更新和生長[32]。SNS相關的α2A-AR和副交感神經相關的毒蕈堿乙酰膽堿受體亞型M1和M3也在腸上皮干細胞中表達，并且控制腸上皮細胞增殖[33]。SNS神經末梢密集地集中在腸上皮干細胞所在的隱窩的基部，而副交感神經與腸上皮細胞直接接觸突觸。SNS和副交感神經與腸神經系統的神經元形成突觸聯系。自主神經系統的任一分支的手術或化學消融，SNS或副交感神經導致自主神經遞質的體內來源缺乏，由此改變了腸上皮隱窩細胞的增殖。松果腺抑制腸上皮干細胞的增殖速度，可能是通過松果體與下丘腦之間的直接聯系，或下丘腦與迷走神經和腸道交感神經支配之間的聯系，或自主神經支配對腸隱窩叢活動與隱窩相關的影響。這種增殖可能是通過α2-AR調節的。另外，NE或乙酰膽堿的應用降低了腸上皮類器官中細胞周期進程所必需的細胞周期蛋白D1的表達。有意思的是，研究發現SNS和副交感神經去神經化后，可能對腸上皮干細胞的長期影響效果并不明顯。

4 小結

交感神經系統是間充質干細胞微環境、干細胞巢/壁龕的重要組成部分，其通過去甲腎上腺素等等神經遞質調節間充質干細胞或其微環境的生物活性。創傷、應激甚或白晝節律等通過交感神經系統，在多條信號通路影響著間充質干細胞的增殖和分化能力，對心肌梗死修復、腎衰、骨關節疾病和糖尿病、肥胖等疾病，以及對血液系統疾病、免疫功能等，不同階段和狀態起著不同的作用。干細胞的研究和應用方興未艾，但由于機體本身的復雜性，間充質干細胞不同種類、部位，甚或不同階段、疾病狀態，交感神經系統對干細胞的影響都不一樣。因此研究其影響機制，明確最佳的微環境、刺激模式、動員、增殖、分化方向、修復效果等等是全面認識交感神經系統調控間充質干細胞的主要和關鍵的內容，以期為機體延緩衰老、控制疾病、修復甚至再生損傷組織提供充分的科學依據。