去年8月20日發表在《干細胞研究與治療》雜志上的這篇綜述，詳細闡明了間充質干細胞（MSCs）臨床研究應用，需要考慮到微環境因素。
本篇文章核心觀點：
MSCs的治療作用，受不同疾病微環境的影響，需全面考慮各類因素，則時而用。
正文：
來源廣泛的間充質干細胞（MSCs）具有多向分化能力。間充質干細胞在免疫調節、造血和組織修復中發揮重要作用。細胞的微環境通常是指細胞間基質、其他細胞、細胞因子和體液成分。它也是細胞相互作用的場所。微環境的穩定性對于維持細胞增殖、分化、代謝和功能活動至關重要。微環境成分的異常變化會干擾細胞功能。
本綜述將討論MSCs及其微環境的特征，以及MSCs與疾病微環境之間的相互作用。
間充質干細胞（MSCs）可以從多種組織中分離出來，分化為中胚層譜系細胞（如脂肪細胞、骨細胞和軟骨細胞）和其他外胚層譜系細胞（神經元和神經膠質細胞）。MSCs表達表面標志物 CD73、CD90和CD105，但不表達造血標志物CD45、CD34、CD14 和 CD79 。來自不同組織的間充質干細胞具有許多共同的表面標志物（表1）。它們因其自我更新、多能性和免疫調節特性而廣泛用于細胞治療、組織工程和再生醫學 。
細胞微環境由直接影響一個細胞或一組細胞周圍條件的成分組成。它通過生物物理、生化或其他方式對細胞行為產生直接或間接的影響。通常，細胞微環境包含細胞外基質（ECM）、單細胞周圍的同型或異型細胞、細胞因子、激素以及來自生物體或生理液體運動的機械力（圖1）。對于MSCs的微環境，它與MSCs相互作用，調節MSCs的增殖和分。
MSCs 在微環境中擴展并接收決定其細胞命運的生長信號。這些信號包括細胞、細胞和基質之間的相互作用，以及激活和/或抑制MSCs基因的轉錄程序。
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MSCs對微環境的調控
免疫調節
（1）MSCs對巨噬細胞的影響
間充質干細胞主要通過分泌可溶性因子來調節巨噬細胞 。例如，間充質干細胞可通過分泌前列腺素 E2(PGE2) 、TGF-β和CCL2促進巨噬細胞從促炎表型M1向抗炎表型M2分化 。此外，骨髓間充質干細胞通過細胞外囊泡影響巨噬細胞。細胞外囊泡可以通過在免疫抑制M2表型中誘導結腸巨噬細胞極化來減少小鼠的結腸炎。
在肝損傷模型中，間充質干細胞通過增加Hippo通路的活性來減少肝細胞損傷，Hippo 通路可以激活NLRP3并調節XBP1介導的NLRP3，導致巨噬細胞從M1表型分化為M2表型 。此外，發現小鼠脂肪來源的間充質干細胞 (AD-MSCs) 通過增加小鼠IL-10的分泌來上調M2樣細胞的比例 。
（1）間充質干細胞對中性粒細胞的影響
中性粒細胞吞噬活性可以通過在MSCs中分泌IL-17來增加。骨髓間充質干細胞可減少活化的中性粒細胞中活性氧 (ROS) 的產生，而臍帶組織來源的間充質干細胞可降低中性粒細胞的炎癥活性 。此外，間充質干細胞可以以TSG6依賴性方式抑制中性粒細胞浸潤到炎癥部位。
活化的人臍帶血MSCs可分泌IL-8和巨噬細胞遷移抑制因子募集中性粒細胞吞噬MSCs。那些聚集的中性粒細胞與其他中性粒細胞接觸或發揮旁分泌作用，從而增加功能和活力 。
當細菌感染發生時，中性粒細胞會經歷呼吸爆發。間充質干細胞可抑制IL-6介導的呼吸爆發，延緩靜息中性粒細胞的凋亡，使更多的中性粒細胞存活。
（3）MSCs對T細胞的影響
間充質干細胞可以將巨噬細胞和樹突狀細胞維持在未成熟或抗炎狀態，從而阻止效應T細胞的活化并促進調節性T(Treg) 細胞的形成 。間充質干細胞還可以分泌免疫調節分子，如TGF-β1 、白血病抑制因子和吲哚胺2,3-雙加氧酶 (IDO) 。當CD4+輔助T細胞和細胞毒性CD8 + T淋巴細胞產生干擾素-γ(IFN-γ)時，骨髓間充質干細胞獲得T細胞抑制特性 。
人臍帶來源的MSCs抑制T 淋巴細胞增殖并下調RORγt mRNA和蛋白質表達。這些間充質干細胞還降低了脾臟中Th17細胞的比例并增加了調節性T細胞（Treg細胞）的比例。此外，它們還可以下調關節中RORγt和Foxp3的表達。最后，這些規定導致CIA大鼠關節炎的改善、放射學進展的延遲和滑膜增生的抑制 。
（4）MSCs對B細胞的影響
至于B細胞，脂肪組織來源的MSC可以抑制漿細胞形成并促進調節性B細胞（Breg 細胞）的產生。已證明產生IL-10的Breg細胞可將效應CD4+T細胞轉化為Foxp3+Treg 。在T細胞存在的情況下，MSCs仍能抑制B細胞的增殖。
間充質干細胞通過誘導 G0/G1 細胞周期停滯和分泌 Blimp-1（一種用于抗原產生的可溶性因子）來抑制B細胞增殖。細胞間通訊在基于MSC的B細胞免疫抑制中也起著至關重要的作用，其通過PD-1治療。
造血支持
在骨髓中，造血干細胞 (HSCs)和MSCs 密切相關。人類HSC表面標志物包括CD34+、CD90+和CD105+。它們可以分化成髓細胞、淋巴細胞、紅細胞或巨核細胞 。
骨髓微環境保護造血細胞的生存、自我更新和分化等造血特性，在正常和應激條件下維持血液系統的正常功能。
骨髓間充質干細胞通調節其微環境。MSCs中Notch配體通過Wnt通路在造血干細胞的存活和增殖中發揮重要作用[4。在原發性骨髓纖維化早期，MSCs原有的造血支持和自身特征相關基因表達量開始下降顯著地。細胞外基質分泌、骨化和肌成纖維細胞相關基因表達開始顯著增加。間充質干細胞分泌細胞外基質（包括膠原蛋白、基質體等），通過TGF-β信號相關通路分化為成纖維細胞，驅動骨髓纖維化。
骨髓間充質干細胞的功能障礙與促進白血病發展的骨髓微環境受損有關。骨髓間充質干細胞治療可以減輕荷白血病小鼠的腫瘤負擔并延長生存期。供體骨髓間充質干細胞治療可以將宿主巨噬細胞重編程為具有組織修復特征的精氨酸酶1陽性表型。因此，供體間充質干細胞重新編程宿主巨噬細胞以恢復骨髓微環境并抑制白血病的發展。
組織修復和再生
間充質干細胞可以分泌多種支持細胞存活的因子，包括生長因子、細胞因子和細胞外基質。脂肪來源的MSCs可以作用于血管內皮細胞，促進血管生成和成熟 。此外，在心肌缺血再灌注和中風等多種損傷模型中，脂肪干細胞外泌體可促進血管生成，減少組織損傷。骨髓間充質干細胞可通過調節T細胞和B細胞的比例和功能、骨代謝因子和自身分化為軟骨細胞的比例和功能，改善CIA（膠原誘導的關節炎）大鼠的關節炎癥，抑制骨損傷和修復軟骨損傷。
肝臟微環境包含細胞、細胞外基質、細胞因子和營養，它們都處于穩態。它是一種多向相互作用復合體，在維持正常功能方面起著至關重要的作用 。間充質干細胞通過旁分泌作用影響肝臟微環境，調節免疫反應并歸巢到損傷部位，直接/間接地建立再生微環境并修復損傷組織。間充質干細胞可以調節肝星狀細胞的增殖和ECM的調節，通過分泌HGF、IL-10和TNF-α誘導肝星狀細胞凋亡。骨髓間充質干細胞已被證明可以恢復白蛋白水平并抑制嚙齒動物的肝纖維化 。人羊膜和絨毛膜來源的MSCs可以通過分泌幾種活性細胞因子（如HGF、EGF和NGF）來刺激肝細胞的增殖并誘導肝臟再生，即使在暴發性衰竭期間也是如此 。
在肝損傷中，人臍帶間充質干細胞通過降低炎癥水平來減輕肝細胞損傷，并參與肝缺血再灌注后肝細胞損傷的修復。間充質干細胞可以抑制炎癥環境中中性粒細胞的趨化募集。間充質干細胞可通過減少肝臟中中性粒細胞的募集來減輕肝臟缺血再灌注損傷 。
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MSCs微環境調控
微環境對細胞活動和功能至關重要。不同的微環境對MSCs的生物學功能有不同的影響。MSCs的分化潛能高度依賴于微環境可溶性因子，包括細胞因子（IL-6和TNF-α）、激素（雌激素、甲狀旁腺激素和生長激素）和生長因子（TGF-β、IGF-1、VEGF和FGF）。
微環境與MSCs分化
（1）成骨分化
在生理條件下，微環境可以支持MSCs并決定它們的命運。在小鼠口腔組織中，Runx2 +微環境細胞位于頸環的外側邊緣。這些細胞通過IGF-2信號維持切牙間充質組織的穩定性。Runx2基因可以編碼轉錄因子，這些轉錄因子對骨骼和門牙的早期發育非常重要。發現Runx2在門牙近端區域的Gli1 +細胞亞群中表達，Runx2的缺失會損害小鼠門牙的生長速度。當小鼠牙髓間充質干細胞分化為成牙本質細胞和牙髓細胞時，Runx2 +微環境細胞的位置沒有改變。
IGF1是沉積在骨基質中最豐富的生長因子之一，可通過mTOR途徑增強骨髓間充質干細胞的成骨分化。此外，雌激素可以結合其α和/或β受體，通過激活p38 MAPKs/NF-κB和BMPs/WNT/β-catenin信號通路誘導骨髓間充質干細胞成骨分化。
（2）軟骨分化
MSCs分化成軟骨細胞需要多種促進劑和抑制劑。微環境包含可溶性細胞因子、附近的細胞、周圍的基質和物理刺激，所有這些在決定MSCs的細胞命運和成軟骨分化方面都起著至關重要的作用。例如，最低水平的Wnt信號活動對于允許MSC的軟骨形成是必要的。軟骨形成需要該通路的輕度激活，因為Wnt信號傳導的過度表達會對軟骨形成分化造成有害影響 。
此外，TGFβ是骨髓微環境中最豐富的生長因子，主要來源于骨基質降解和活化的T細胞。它通過SMAD或p38通路穩定SOX9促進骨髓MSCs軟骨形成。IL-6可通過激活ERK1/2削弱MSCs 生成軟骨細胞并使其保持未分化狀態的能力 。
微環境與間充質干細胞老化
老化微環境對MSCs功能有不利影響。它通過衰老相關分泌表型 (SASP)、衰老細胞衍生的細胞外囊泡和細胞-細胞接觸影響MSCs 。
衰老細胞可以分泌生物活性因子。這些因子包括促炎細胞因子、趨化因子、生長調節劑、蛋白酶，這些因子被稱為SASP 。至于SASP，它包含許多與老化相關的元素。這些元素影響MSCs的功能，包括增殖、克隆形成、分化、免疫特性、端粒酶活性、細胞遷移和粘附。例如，SASP可以產生主要由NF-κB 信號傳導介導的慢性炎癥微環境，從而導致MSCs 功能障礙和異常重塑 。作為一種趨化因子，衰老相關的胰島素樣生長因子結合蛋白4和7可以直接誘導MSCs衰老表型。
細胞外囊泡分泌的衰老相關增加可誘導相鄰細胞衰老 。隨著衰老，衰老細胞衍生的 microRNA-183-5p會誘導MSCs衰老 。超長鏈C24：1神經酰胺在細胞外囊泡中隨著年齡的增長而增加，這些囊泡可以誘導MSCs的衰老 。
缺氧微環境與MSC
缺氧微環境在保持未分化間充質干細胞的表型中起著至關重要的作用。它幫助MSCs保持靜止狀態并具有必要的自我更新率。此外，缺氧誘導因子（HIF）作為缺氧微環境的分子調節劑來控制MSCs的分化和存活。
骨髓間充質干細胞通常處于低氧微環境中，在誘導成骨分化和增加趨化性遷移中起重要作用。對于臍帶間充質干細胞，缺氧微環境通過HIF-1促進其增殖，骨髓間充質干細胞耗氧率降低約3倍。在常氧條件下，MSCs的分化少于MSCs。在缺氧微環境中，MSCs的細胞核較大且較不復雜，核仁較豐富，核質指數較高，而在常氧條件下，細胞大小與MSCs相似。
缺氧微環境還可以調節人牙齦來源的MSCs 的免疫反應。Fas-FasL 通路介導多種細胞類型的凋亡。IL-10將細胞因子轉化為抗炎介質。在人牙齦MSCs中，12-24小時2%的缺氧處理會增加IL-10的產生和FasL的表達。FasL的較高表達水平增強了對外周血單核細胞增殖的抑制作用。
低氧預處理是優化MSCs再生和治療潛力的理想方法。但是，如果氧氣濃度過低或缺氧時間過長，骨髓間充質干細胞的功能可能會喪失。此外，低氧培養的牙齦來源的MSC增加了干性相關基因NANOG和神經營養因子VEGF和IGF1的表達。
對于脂肪組織衍生的MSC，缺氧增強了它們的再生潛力，并且不會阻礙它們的免疫調節作用 。此外，5% O2顯著增強脂肪組織來源的MSCs的肌腱分化，并激活其VEGF表達 。此外，HIF1α的表達增加，這增加了COL2A1和聚集蛋白聚糖的表達。
不同氧濃度對脂肪組織來源的間充質干細胞有不同的影響。2% O2增加其增殖、活力、可溶性因子分泌，降低腫瘤發生風險和遺傳不穩定性。發現脂肪組織來源的MSCs的三系分化潛能在不同的氧氣濃度下是不同的。發現1% O2和1.5% O2維持脂肪組織來源的 MSCs的成脂、成骨和成軟骨分化。發現2% O2和5% O2增加了軟骨生成，同時減少了脂肪生成和成骨。
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MSCs與疾病微環境的相互作用
不同的病理微環境對間充質干細胞的生長、增殖、遷移、凋亡和分化等有不同的影響，這也取決于疾病的類型和嚴重程度。另一方面，間充質干細胞也可以影響病理微環境。有些作用可能會加重疾病，而有些作用會減輕疾病。
腫瘤中微環境與間充質干細胞的相互作用
腫瘤微環境是一個復雜的實體。不同的腫瘤類型具有不同的腫瘤微環境組成。然而，有一些標志性特征，包括免疫細胞、基質細胞（包括MSCs）、血管、細胞外基質、脂肪細胞和可溶性因子。腫瘤微環境不僅僅是一個旁觀者，也是癌癥進展的積極推動者。
間充質干細胞可能在腫瘤微環境的大多數基質成分的產生中發揮重要作用。在腫瘤細胞存在的情況下，癌癥相關的MSCs分化為支持腫瘤的癌癥相關成纖維細胞和脂肪細胞。常駐和遠端招募的MSC在腫瘤微環境生態位中都獲得了與癌相關的成纖維細胞樣表型 。
在腫瘤微環境中，與正常MSCs相比，癌癥相關的MSCs表現出更強的分化成癌癥相關成纖維細胞的能力。癌相關成纖維細胞的促腫瘤發生功能包括增加腫瘤細胞侵襲、通過 Hedgehog信號傳導增強上皮-間質轉化、促進遷移和轉移以及增加化療耐藥性 。腫瘤微環境中的脂肪細胞可以產生生長因子、激素、細胞因子和脂肪因子。癌相關脂肪細胞中胰島素樣生長因子結合蛋白2表達和分泌增加可增強乳腺癌模型中的遷移和侵襲。
腫瘤細胞可以分泌促進間充質干細胞遷移到腫瘤部位的可溶性因子。聚集在腫瘤細胞附近的 MSC分化為更成熟的MSC。然后這些間充質干細胞的表型和基因表達發生變化。間充質干細胞被募集到腫瘤微環境后，可以增強腫瘤細胞的轉移潛能。此外，這些間充質干細胞通過分泌VEGF促進腫瘤部位新血管形成。此外，MSCs還通過增加MMP2和MMP9的表達來增強前列腺癌細胞的侵襲和遷移。在腫瘤生長部位發現MSCs往往預示著疾病的進一步惡化。因此，MSCs可作為腫瘤進展的標志物 。
RA中炎癥微環境與間充質干細胞的相互作用
滑膜是類風濕關節炎（RA）發生致病事件的關鍵部位。基質細胞（包括間充質干細胞）、細胞外基質分子、免疫細胞和其他組織駐留細胞構成滑膜組織微環境。基質細胞有助于組織結構并調節組織功能 [82]。在炎癥組織中，炎癥細胞、促炎酶、炎癥介質等炎癥相關物質形成炎癥微環境。MSCs微環境中的異常，如慢性炎癥、生物毒素、軀體應激和化學有害物質等，都會對MSCs產生負面影響。
從RA患者中提取的MSCs在體外具有顯著的免疫抑制作用，例如抑制T淋巴細胞。然而，RA的關節微環境降低了MSCs在調節免疫反應方面的效率。RA炎癥微環境中的滑膜間充質干細胞可通過TLR2和TLR4誘導巨噬細胞轉化為促炎表型。間充質干細胞可通過IL-6、TSG-6、COX-2/PGE2等多種機制抑制單核細胞向樹突狀細胞的分化 。
T淋巴細胞在與RA相關的炎癥反應中起核心作用。T淋巴細胞廣泛影響MSCs的功能。T淋巴細胞分泌的細胞因子，如IFN-γ和TNF-α，可以促進MSCs的遷移能力，并且可以上調。
De Bari 推斷RA中患病的炎癥微環境改變了膜滑膜MSCs的免疫調節。這些MSCs可能變成有害細胞，甚至導致血管翳（血管翳由新生微血管、增生肥大的滑膜細胞、炎細胞及機化的纖維素構成,是引起關節病變、軟骨破壞的主要原因及病理基礎）形成 。
椎間盤退變中微環境與間充質干細胞的相互作用
椎間盤退變是一種慢性進行性過程，與常駐細胞群耗竭、細胞外基質降解、組織炎癥和髓核脫水有關 。退行性椎間盤微環境的特點是缺氧、低葡萄糖水平、酸性pH值、高滲、炎癥和機械負荷 。間充質干細胞通過遷移到達損傷組織，分泌生長因子和細胞因子以支持駐留細胞活性并誘導退化椎間盤的內源性修復。
椎間盤（IVD）物理和化學微環境的變化（即缺氧、營養減少和酸性條件）可能導致椎間盤退變。在退行性椎間盤微環境中，缺氧激活HIF-1α/Yap 信號通路，保護小鼠骨髓間充質干細胞免受機械應激介導的細胞凋亡 。
移植的間充質干細胞能夠通過刺激細胞外基質蛋白（如聚集蛋白聚糖、蛋白多糖和II型膠原蛋白）的生成將椎間盤退變恢復至正常椎間盤，這些蛋白構成核髓細胞（通常位于髓核內的軟骨樣圓形細胞） 。MSCs能夠分化成核髓細胞樣表型 。
TGF-β、PDGF、IGF-1、GDF-5和bFGF等生長因子增強了MSC向核髓細胞樣表型的分化。這些因子由椎間盤駐留細胞分泌 。另一方面，MSCs 能夠表達IGF-1和BMP-7，從而保護核髓細胞免受凋亡。將髓核MSCs引入輕度椎間盤退變的低滲微環境揭示了髓核MSCs增殖和軟骨形成潛力的激增
肺纖維化中微環境與間充質干細胞的相互作用
在肺纖維化期間，Gli1+ MSCs通過上調hedgehog(Hh) 信號來抑制氣道祖細胞微環境中BMP的激活。在纖維修復過程中，近端支氣管/氣道上皮可在遠端肺出現異位，其特征是沿纖維瘢痕排列在肺泡上的KRT5 +基底細胞化生形成含氣囊腫。化生KRT5 +細胞的存在與疾病嚴重程度增加和存活率降低有關。
在生理條件下，KRT5+基底細胞存在于小鼠肺的氣管和大氣道，SFTPC+ 2型細胞存在于遠端肺泡囊，產生功能性肺泡上皮。Hh信號的上調抑制微環境中的BMP信號，使KRT5 +氣道祖細胞發生化生分化，促進適應性肺泡分化為SFTPC +上皮細胞。
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結論
間充質干細胞通過不同的方式影響其微環境，例如免疫調節、造血支持和組織再生。微環境還調節MSCs的分化、增殖和功能。在病理微環境中，間充質干細胞可能加重或減輕疾病。MSCs的應用仍存在爭議，因為相同的微環境可能對MSCs產生相反的影響。已經進行了許多關于MSCs治療的臨床試驗，但其值得懷疑的安全性和有效性繼續限制其應用 。此外，改變微環境可能對MSCs治療和疾病進展產生好的或壞的影響。
微環境是一個復雜的實體，因此研究和應用可能很困難。隨著對它們在相關病理過程中的功能、成分和部位變化的進一步研究，疾病發生發展的機制將更加清晰，將創造出更多創新的治療方法。
