间充质干细胞移植治疗疾病的基本原理
干细胞是人类最重要的生命资源，谁拥有资源谁就拥有未来！
干细胞移植技术，被誉为继药物治疗、手术治疗后的第三次医学革命。及时地补充干细胞，将系统提高全身细胞的更新换代能力，增强细胞活性，全面改善组织、器官功能。
图片霍金曾在《干细胞大探索》中预言道：未来，干细胞可攻克一切疾病，望来者勇敢开拓新世界！
干细胞是机体的起源细胞，也是形成人体的各种组织细胞的始祖细胞，而间充质干细胞（MSCs）来源于胚胎发育早期的中胚层，是一种异质性的细胞群体，机体内的MSCs包含自胚胎发育早期及之后不同发育阶段的干细胞及分化后代。
人体几乎所有的组织都含有MSCs，多种组织和器官中MSCs含量丰富，如骨髓、脂肪、牙髓、脐带和胎盘等，普遍具有自我更新能力、多向分化潜能和免疫调节等功能。
▲间充质干细胞分化成的不同细胞图片根据网站统计的数据表明，截至2022年3月，全球已注册1100项基于间充质干细胞的临床试验，80%以上的临床试验处于临床Ⅰ期和Ⅱ期，15%左右处于临床Ⅲ期阶段。
图片已完成的试验结果表明间充质干细胞用于多种疾病的治疗是安全和有效的，这些疾病类型包括移植物抗宿主病、脊髓损伤、自身免疫性疾病、心血管疾病、骨及软骨损伤修复、克罗恩病、糖尿病及其并发症等。目前，全球已有11种间充质干细胞药物获批用于上述疾病的临床治疗，但是中国目前还没有间充质干细胞药物上市。
在大众眼中，细胞治疗已然成了人们治疗疾病的新希望。
那么干细胞疗法对抗疾病的背后机理是什么？这涉及干细胞的多向分化潜能和、旁分泌作用，免疫调节细胞与细胞间物质传输四大作用机制。
01多向分化潜能间充质干细胞具有分化成多种细胞类型的潜能，在特定信号和局部微环境的刺激下通过调控基因的差异性表达，不仅可以分化为中胚层来源的细胞类型，包括心肌细胞，血管内皮细胞，成脂、成骨和成软骨等细胞，也可以转分化为消化道上皮细胞、肺细胞、肠道上皮细胞、肌肉细胞等内胚层来源的细胞，还可以转分化为表皮细胞和神经细胞等外胚层来源的细胞(图1)。
图片多向分化机制能够帮助干细胞治疗哪些疾病？
目前，充分的科学研究已经证明，间充质干细胞可以通过多向分化机制改善或治疗骨关节炎、心脑血管疾病、肾功能不全、I型糖尿病、神经退行性疾病、肝功能不全、皮肤伤损和肌腱损伤等疾病。
如果说多向分化，是干细胞变成什么，从而达到治疗效果。那么旁分泌，就是干细胞释放什么，从而达到治疗效果。
02旁分泌作用间充质干细胞旁分泌作用可以产生大量的可溶性细胞因子、趋化因子和生长因子等促进组织损伤的修复，通常被认为是间充质干细胞参与组织损伤修复的主要机制。
干细胞如同身体里的“分布式发电站”，在适宜的时机，适宜的地点，将各种类型的因子，以发散的模式向外运输，发挥干细胞的积极功能。例如：
●分泌VEGF，能够促进血管的新生，重塑血管；
●分泌IL-6，能够调节免疫平衡，抑制炎症；
●分泌BCL-2，能够抑制细胞的凋亡，保持年轻状态；
●分泌HGF，促进成纤维细胞新生，改善肌肤状态。
图片研究发现，间充质干细胞产生的生物活性物质参与免疫调节、血管新生、抗细胞凋亡、抗氧化、抗纤维化和趋化作用（归巢性）等多个生物学进程(图2)。
按照各个生物活性因子的主要功能分类，可以分为如下5种类型：
免疫调节相关因子：间充质干细胞可产生多种免疫调节因子，无论对自体还是同种异体的免疫细胞，无论对固有免疫细胞还是获得性免疫细胞都能发挥免疫调节作用。
迄今为止, 发现的免疫调节因子主要有白细胞介素6(IL-6)、肝细胞生长因子( HGF)、吲哚胺2,3双加氧酶(IDO)、血红素氧合酶1( HO-1)、转化生长因子β1 (TGF-β1)、一氧化氮 (NO)、人类白细胞抗原I类分子G5(HLA-G5)、前列腺素E2(PGE2)和白细胞介素10 (IL-10)等。
MSCs产生的多种免疫调节因子之间可通过协同或拮抗发挥作用，不仅参与免疫反应的调控，而且还参与炎症反应的应答和组织损伤修复等多个生物学进程。
血管新生相关因子：间充质干细胞移植后, 可有效改善动物模型的心肌梗死和冠状动脉性心脏病，MSCs发挥作用的机制是诱导血管新生和动脉生成。
间充质干细胞在血管新生过程中主要通过分泌细胞因子来起作用,MSCs产生的VEGF、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、 HGF、单核细胞趋化蛋白1(MCP1)、基质细胞衍生因子1(SDF1)等对于血管网络的重塑发挥关键作用。
此外,间充质干细胞产生的促进血管新生的诱导因子还包括胎盘生长因子(PIGF)、NO、胰岛素样生长因子(IGF)等。
抗凋亡相关因子：间充质干细胞既可以直接产生抑制细胞凋亡的蛋白，也可以通过旁分泌作用影响细胞凋亡的信号通路。MSCs产生的抑制细胞凋亡蛋白包括B细胞淋巴瘤因子2( Bcl-2)、存活素(survivin)和蛋白激酶B (PKB也称为Akt)。
间充质干细胞产生的抗凋亡相关细胞因子包括VEGF, IL-10, HGF, 斯钙素1 (STC1)和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)等。
抗氧化相关因子：在动物实验不同疾病模型的研究中已发现多种抗氧化相关的因子，如超氧化物歧化酶(SOD)、核因子E2P45相关因子2( Nrf2)、STC-1和HO-1等。
抗纤维化相关因子：研究发现，间充质干细胞的抗纤维化作用与免疫调节，促进血管新生和抗炎等协同发挥作用，间充质干细胞对多种组织纤维化疾病模型都有很好的治疗效果。
趋化作用相关因子（归巢性）：动物实验研究中发现，无论是静脉回输移植还是局部组织注射，MSCs具有快速迁移到机体炎症发生部位并滞留在炎症部位发挥抗炎和免疫调节的作用。
自体或外源性间充质干细胞，在机体面临缺血、缺氧或组织损伤等因素的刺激下，能定向趋化性迁移，越过血管内皮细胞至靶向组织并定植存活的过程称为“归巢”。
干细胞归巢，归的是需要它的地方，归的是损伤部位，那里有它的使命。最终它可能归至各个脏器，归至骨髓，归至炎症及损伤部位，甚至归至肿瘤部位，及时修复受损细胞。
近年来，大量干细胞的研究成果不断涌现，其中的一些研究表明，干细胞的归巢性使其在治疗疾病尤其是难治性疾病方面，表现出不可替代的优势。
旁分泌还能做些什么？
干细胞分泌的生物活性物质主要参与免疫调节和抗凋亡的过程，但同时有越来越多的证据表明干细胞分泌的因子，对组织再生和器官修复及其保护作用至少部分也有重要的功能。
干细胞的分泌功能会影响干细胞所在组织器官的结构、功能及其病理状态下的修复，是干细胞改善靶器官功能、抗凋亡、抗炎等疗效的重要机制之一。
所以，间充质干细胞不仅自己是人体的“最佳修理工”，还充分发挥着“榜样”的作用，对周围的细胞们产生正面的影响，促进细胞们积极工作，修复我们的组织和器官，不断调节与促进我们机体的健康。
图片03免疫调节作用间充质干细胞的免疫调节作用具有很强的可塑性，间充质干细胞发挥免疫调节作用,主要通过两种方式: 一种是旁分泌细胞因子，另外一种是细胞与细胞间直接接触依赖的机制。
MSCs无论对固有免疫细胞包括自然杀伤细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、肥大细胞和树突状细胞等，还是对获得性免疫细胞包括T细胞和B细胞等，都有较强的免疫调节作用。
固有免疫细胞
固有免疫(innate immunity)是机体在种系发育和进化过程中形成的天然免疫防御功能, 具有反应快速、非特异识别、无细胞增殖、无免疫记忆和维持时 间短等特点, 也称为非特异性免疫, 是机体抵御病原体入侵的第一道屏障。
MSCs通过旁分泌作用参与调控的固有免疫细胞类型包括自然杀伤细胞(NK)、中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞等 (图3B)。
图片04细胞间物质传输胞外囊泡（EVs）是一类重要的细胞间传输介质，在细胞与细胞之间物质传输和信号交流方面发挥至关重要的作用。MSCs产生的胞外囊泡其内包裹的生物活性物质具有免疫调节作用，还可对多种组织损伤进行修复。
胞外囊泡：MSCs能够产生和释放多种类型的囊泡，统称为胞外囊泡, 根据其大小、来源途径和组成成分的不同, 可分为外泌体、微泡和凋亡小体三种类型。
外泌体来自于晚期的内涵体, 直径介于30~130nm, 膜性囊泡内包裹着信使RNA(mRNA)、微小RNA(miRNA)、脂质体和蛋白质等大量生物活性物质(图5A)。
图片间充质干细胞来源的外泌体在多种疾病治疗的临床试验中均显示出与间充质干细胞移植类似的治疗作用，其疗效具有剂量依赖性。
外泌体代替间充质干细胞进行疾病治疗, 可避免移植的间充质干细胞不能通过肺部毛细血管而被截留的问题，更加安全有效外泌体能越过血脑屏障, 在治疗脑部疾病方面具有无可比拟的优势。
图片展望深入研究间充质干细胞的作用机制，可充分利用和发挥间充质干细胞生物学特性方面的优势，为疾病治疗提供新的策略。
相信随着医疗技术的不断发展，干细胞必将引发医疗变革，成为继药物、手术后的第三种治疗方式，一系列传统手段难以治疗的疑难杂症也终将会被干细胞逐步取代与救治。
参考资料：黄庆雷,沈丽,邓钺. 间充质干细胞作用机制的研究进展[J]. 中国科学（生命科学）,2019,49(2):108-128. DOI:10.1360/N-00175.
