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MSCs在炎性微环境下的免疫调节作用综述

时间:2020-03-26 来源:中国美容整形外科杂志 作者:苗育玮,刘思宇,周游, 本文字数:8545字

  摘    要: 间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)是一种具有自我更新和多谱系分化能力的多能干细胞。其除了拥有多向分化潜能外,还具有较强大的免疫调节能力。近年来大量的研究发现,MSCs能够通过迁移至炎症部位或远距离分泌细胞因子等多种机制来调节免疫细胞,进而调节炎症反应。在炎症环境下,MSCs能够通过直接接触、旁分泌以及转移线粒体等方式与免疫细胞相互作用而发挥免疫调节作用,具有良好的临床应用前景。现就MSCs对免疫细胞调控的可能机制作一综述。

  关键词: 间充质干细胞; 炎症; 免疫调节;

  间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)是一种多能干细胞,具有自我更新和多向分化潜能。1970年,AJ Friedenstein等首次发现了作为成骨前体细胞的骨髓MSCs,而直至2006年国际细胞治疗学会MSCs委员会才提出了界定MSCs的最低标准[1]。MSCs除能分化为成骨细胞、脂肪细胞以及软骨细胞外,也能分化为内胚层或外胚层来源细胞[2,3]。MSCs除了具有多谱系的分化能力,还能通过调节局部组织的微环境来调节免疫反应,具有强大的组织保护和修复与再生作用(ME Bernardo等,2013年);MSCs能从脂肪组织、骨膜、肌肉、滑膜、皮肤、小儿外周血、肝、骨髓及不同的胎儿组织中提取[4,5]。而不同的来源,其分离、培养模式及其功能可能有所不同[6]。炎症是一种对细胞损伤,以红肿热痛为基本特征且能消除有害物质和受损组织的局部反应[7],可保护机体内环境的稳态。炎症分为4个连续过程:(1)病原体或损伤识别;(2)募集免疫细胞到损伤部位;(3)病原体或损伤组织的清除;(4)炎症的恢复[8]。在炎症状态下,损伤组织直接释放炎症介质或外源性的炎症刺激因子,如脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)以及其他病原相关模式分子(pathogen associated molecular patterns,PAMPs)刺激释放炎症递质,激活免疫细胞,从而抑制或促进炎症反应。有学者认为[9,10,11],MSCs能够迁移至损伤炎症部位,并通过直接接触、旁分泌外泌体、细胞因子以及转移线粒体等方式来调节多种亚型免疫细胞的功能,从而减少氧化应激分子,以及炎症因子的释放[12],由此来干预炎症反应。但是,其作用机制尚不清楚。现就MSCs在炎性微环境下的免疫调节作用作一综述。

  1、 MS Cs与T细胞的相互作用

  1.1、 T细胞的分群

  T细胞广泛分布于人体的各个组织器官,在人类的免疫系统中扮演了十分重要的角色。T细胞按功能可分为辅助T细胞(Th)、细胞毒性T细胞(cytotoxic T cell,CLT)和调节性T细胞(Treg)。其中Th分为Th1和Th2等,前者能够产生白细胞介素2(interleukin2,IL-2)、干扰素γ(interferonγ,IFN-γ)、肿瘤坏死因子β(tumor necrosis factorβ,TNF-β)等Th1细胞因子,能激活巨噬细胞,增强细胞免疫应答;而后者能产生IL-4、IL-6、IL-10等诱导B细胞活化,增强体液免疫应答。Treg细胞是一种免疫抑制T细胞,主要通过细胞直接接触以及分泌转化肿瘤生长因子β(transforming growth factorβ,TGF-β)、IL-10等细胞因子而发挥免疫抑制作用。

  1.2、 MSCs对T细胞的调节作用

  MSCs具有的强大免疫调节能力的作用形式之一就是调节T细胞的状态,其中包括促进T细胞凋亡,抑制T细胞活化以及促进Treg细胞生成,最终导致类似于T细胞耗竭状态。这种调控作用可能是多线程的,其中MSCs的表面分子,如外泌体、细胞因子的相互串联或并联形成了一个复杂的分子网络,从而调控T细胞状态。

  MSCs表面表达的多种免疫抑制分子,如PD-1、Gal-9,与T细胞表面相应的受体结合,抑制T细胞的激活,从而促进Th1和Th2细胞凋亡。同时,这些免疫抑制分子通过某种形式被分泌到局部微环境中来调控T细胞状态。除了免疫靶点分子介导的调控T细胞凋亡外,MSCs可通过Fas/Fas L凋亡以及将色氨酸转化为犬尿氨酸的途径来诱导活化的效应T细胞凋亡[13]。然而,表面分子的相互作用并不完全独立介导其调控T细胞表型及活性的作用。其在多个共培养体系中发现的抗炎细胞因子以及抗炎蛋白的增多,可能是因为MSCs表面分子与T细胞表面分子相互结合后,一方面诱导T细胞状态改变;另一方面促进了MSCs分泌细胞因子、外泌体以及各种蛋白质而进一步介导免疫调节反应。
 

MSCs在炎性微环境下的免疫调节作用综述
 

  细胞因子、外泌体中的各种蛋白质在介导MSCs对T细胞的调控作用中发挥了重要作用。当MSCs处于炎症微环境时,炎性细胞因子募集MSCs到靶点位置,受局部炎性微环境的作用,MSCs大量分泌抗炎性的可溶性分子来调控局部炎性微环境。MSCs来源的IL-6、PGE2、TSG6、HGF、IL-10,以及TGF-β均对T细胞有调节作用。TGF-β能阻断活化T细胞的增殖和IL-2的产生,其作用是通过Th2分泌大量的IL-4与IL-4R来激活STAT-6通路实现的[6]。IFN-γ能通过促进Th0向Th1分化,并抑制其向Th2和Treg分化,从而促进炎症反应。Ren等[14]认为,在TNF-a、IL-1a、IL-1b存在的状况下,IFN-γ可诱导MSCs的免疫抑制反应,从而刺激MSCs分泌高水平的趋化因子和有诱导性的一氧化氮合酶(induced nitric oxide synthase,INOS),促使T细胞迁移至MSCs相邻的位置,进而调节T细胞的功能[15]。Wang等[16]研究发现,IFN-γ促进胎盘MSCs的程序性死亡蛋白1配体(programmed death ligand-1,PD-L1)的表达,增强外周血或脐带血中IL-10分泌型T细胞的分化,从而抑制炎症反应。这些不同的实验结果表明,MSCs调节T细胞的能力可能与炎症信号的类型和强度有关,而不同信号以及信号强度的不同能诱导不同表型的MSCs。Munir等[17]认为在慢性炎症中,组织驻留MSCs能获得一个与通常认为免疫抑制表型相反的促进炎症型的MSCs表型,这种表型的MSCs通过改变IL-6或TGF-β1的生物活性进而促进炎症因子。Th17能产生IL-1β、IL-6、IL-17等促进炎症反应,而这些促炎症因子能上调MSCs表面分子CD45的表达,促进MSCs的免疫调节能力,从而促进炎症的组织修复[18]。除了以上途径外,MSCs还能通过控制树突细胞(dendritic cell,DC)以及自然杀伤细胞(natural killer,NK),间接控制T细胞的功能[19]。

  综上所述,MSCs能通过多种途径形成一个复杂的双向调控网络来促进T细胞凋亡以及抑制其活化,从而控制局部微环境。

  2、 MS Cs对巨噬细胞的作用

  2.1、 巨噬细胞的分型

  巨噬细胞是先天固有的免疫中最为关键的细胞之一。巨噬细胞分为经典激活的M1型和选择性激活的M2型。M1型巨噬细胞具有促炎症作用,且分泌各种促炎症细胞因子和趋化因子,并具有显着的抗菌能力;而M2型巨噬细胞分泌的IL-10和TGF-β具有免疫调节、促进组织修复和消炎作用。因此,巨噬细胞能因局部微环境的变化而改变其表型。

  2.2、 MSCs对巨噬细胞的调控作用

  MSCs能抑制M1型巨噬细胞的极化,并促进M2型巨噬细胞的极化。与MSCs调节T细胞活性的机制类似,但目前看来,MSCs对巨噬细胞的免疫调节作用相对于T细胞调节机制更为简单。因为MSCs的表面分子、旁分泌可溶性分子等作用于巨噬细胞,只能促进巨噬细胞的M2型极化,诱导免疫耐受。而M1型巨噬细胞能够诱导这个调控网络的发生;M2型巨噬细胞会诱导MSCs分化。

  当病原相关模式分子PAMPs与MSCs的Toller样受体(toller like receptor,TLR)结合激活内部的核转录因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)通路,导致COX-2合成,从而促进前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)合成。PGE2与巨噬细胞膜表面的前列腺素E2受体2(EP2)、EP4受体结合,促进抗炎因子IL-10的产生[3]。PGE2也能促进巨噬细胞抗炎-修复表型转变。M1型巨噬细胞是由Th1分泌的细胞因子,如IFN-γ所激活;而M2型巨噬细胞主要是通过细胞因子PGE2、TGF-β等,从M1型巨噬细胞转化而成。将LPS和IFN-γ处理的M0和MSCs联合培养,能抑制MSCs表达CD86、TNF-α,M2a和M2b型巨噬细胞数量均增加;而在IL-4的作用下,CD86、NO、IL-10等表达水平明显增加,但只有M2b型巨噬细胞数量增加[20]。这表明M2b型巨噬细胞可能是炎症抑制的最主要的巨噬细胞亚型。有研究认为,MSCs介导的巨噬细胞的极化不依赖于细胞间的直接接触,而极度依赖于IL-6;IL-6能够通过抑制IL-1β抑制NO的过度释放,并且促进M2型巨噬细胞成为优势亚型[20,21]。但是,也有学者在慢性炎症病例中发现了促进炎症表型的MSCs,通过改变IL-6或TGF-β从免疫保护状态转变为促进炎症状态而发挥这种特殊类型MSCs的促炎症作用;IL-6能够减少中性粒细胞的黏附,起到免疫保护作用[17]。这可能是IL-6/IL-6R下游有两种不同通路造成的。故MSCs对巨噬细胞作用需要更进一步研究。

  3、 MS Cs对B细胞的作用

  B细胞是适应性免疫系统另外一种标志性效应细胞,由造血干细胞分化而来,主要介导体液反应。未成熟的B细胞从骨髓迁移至外周淋巴组织,经历了存活能力的选择,少数未成熟的B细胞进入淋巴滤泡获得必要的生存支持信号而继续分化为成熟B细胞。类似于调节性T细胞,Breg细胞是独立于浆细胞的能分泌IL-10的B细胞亚群[22]。Breg细胞与MSCs共培养不能抑制IL-10的产生,但是经过IFN-γ处理的MSCs能通过细胞接触而触发促进环氧合酶2(cyclooxygenase-2,COX-2)信号通路,增加PGE2的产生,从而抑制IL-10分泌[23]。有学者认为,MSCs能促进CD5+B细胞分泌IL-10,而Breg细胞能表达Ig M、Ig D、CD5和CD1d[23,24]。近年来的研究表明,IL-1受体拮抗剂(interleukin receptor antagonist-1,IL-1RA)能够介导MSCs的免疫抑制作用,同时发现缺乏表达IL-1RA的MSCs不能有效支持静止B淋巴细胞的存活,并且妨碍其向分泌IgG CD9+CD138+浆细胞分化。MSCs表达的IL-1RA在免疫抑制中发挥重要作用,能够促进巨噬细胞的M2型极化,以及抑制B细胞的分化和Breg细胞的诱导[25]。这提示在炎症微环境中,IL-1可能会负性调节MSCs的免疫抑制作用。MSCs通过细胞间直接接触,可促进CD19+B细胞的活化、增殖和存活。MSCs分泌的外泌体也能对外周B细胞产生免疫调节作用[26]。

  4、 MS Cs对NK的作用

  NK主要分布于外周血,能够直接杀伤或通过抗体介导、细胞介导的细胞毒性作用来杀伤靶细胞。MSCs通过SIRT-1途径有效募集NK细胞到炎症部位而发挥免疫作用[27]。MSCs能够部分抑制NK的增殖,但也能增强激活NK介导的IFN-γ和TNF-α的分泌。NK与MSCs联合培养能够介导MSCs自身死亡,而IFN-γ在一定程度上可保护MSCs免受NK攻击。除此以外,MSCs分泌的HLA-G5、PGE2和TGF-β等均可抑制NK的增殖和细胞因子的分泌[28]。这些矛盾的研究结果可能是因为细胞所处的微环境不同所致。MSCs与NK相互作用的形式可能是一种依赖于时间的反馈调节系统。在炎症早期,MSCs通过释放1型干扰素来增强NK的功能;而在炎症后期,由于MSCs分泌高水平的TGF-β和IL-6能通过诱导NK向衰老表型转变,从而抑制NK的功能而终止炎症反应[29]。故IL-6能够恢复NK的功能,而PGE2可刺激NK模仿肿瘤来源的MSCs介导的免疫抑制[30]。这些研究表明,MSCs对NK的不同作用也有可能与其表型有关,但还需要更多实验来证明。

  5、 MS Cs对DC的作用

  DC是体内最强的专职抗原呈递细胞,能够高效提取、加工处理和呈递抗原,活化初始型T细胞,启动适应性免疫应答。MSCs及其培养的上清液均能抑制DC的活化,具有抑制内吞作用和分泌IL-12的能力,抑制激活T细胞的能力。MSCs还能将成熟的DC倾斜为Jagged-1、Jagged-2或IL-10-SOCS3信号调控表型。Ghosh等[31]研究认为,与肿瘤相关的MSCs能通过IL-10-STAT3通路抑制DC,从而抑制幼稚CD4+,CD8+T细胞的增殖;MSCs分泌的IL-6能够抑制DC的活化,尽管其强度存在争议。在同培养体系中,MSCs与DC的比值不同以及培养的时间不同,也能增加对DC功能的抑制作用。这个结果可能是通过细胞因子糖蛋白结合蛋白(galectin-1,Gal-1)、IL-10促进DC细胞外信号调节激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)通路磷酸化而实现的[32]。还有研究认为,MSCs抑制DC细胞的成熟,是通过微小RNA-23b(mirco RNA-23b,Mi R-23b)过表达而抑制了P50/P65的表达,由此抑制了NF-kB通路的激活而实现的[32]。Chia等[33]认为,MSCs能够直接与DC细胞接触,并通过激活Notch通路而抑制T细胞的增殖。当然MSCs也部分依赖于DC细胞的存活。

  6、 展望

  MSCs因其为多组织来源以及具有良好的体外扩增能力,在近十年中广受科研界的重视。除了再生能力以外,MSCs还具有强大的免疫调控能力,其通过表面分子、分泌可溶性细胞因子或通过控制其他细胞功能等多种方式来控制免疫细胞的活性,从而控制炎症反应,缓解或治疗炎性疾病。MSCs不仅能抑制免疫细胞的增殖与分化,也能促进炎症反应,这取决于炎症微环境中MSCs与其他细胞相互作用的影响,甚至改变MSCs的聚集状态可能会改变其功能状态。MSCs堆积成三维球状能增强免疫调节作用,包括增强抗炎作用,促进血管生成,保护和促进损伤组织修复[34]。同时由于局部炎症、局部血液微动力学改变、局部血流加快、小血管的流体摩擦力增大,也能促进MSCs的免疫调节能力[35]。这些免疫调节能力的增强是通过什么机制实现的,目前尚不十分清楚。

  总之,MSCs能通过调控局部微环境中的各种免疫细胞的表型及活性而发挥免疫调节作用。其中MSCs表面分子及其来源的可溶性细胞分子是如何协同作用于各种免疫细胞而发挥MSCs的免疫调节能力,目前尚不十分清楚;不同状态下,不同来源MSCs免疫调节能力的差异在分子层面上的机制也不十分清楚。为此,深入研究MSCs表面分子及其可溶性分子在MSCs发挥免疫调节作用过程中,揭示其上下游机制,将促进其在炎性疾病治疗中的临床应用。

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