炎症与间充质干细胞老化

集锦

摘要

背景

体组织和器官的衰老伴随着再生能力的下降。通常，组织内环境稳定、再生和修复涉及新的实质细胞的连续出现和平行整合，这些细胞是从未分化的前体细胞衍生而来的。

多功能基质祖细胞也称为M（M）本质的S公司电子显微镜C类细胞（MSC）是成人体内相关的组织特异性干细胞(方框1). MSC的概念似乎特别有趣，因为这种特殊类型的前体可以产生多种细胞类型，如骨、软骨、肌腱或脂肪前体细胞。除了这些后代，被认为是最常见和广泛分布在全身的终末分化细胞，即间质基质细胞和成纤维细胞，也被认为是MSC的直接后代，尽管这一假设仍然缺乏良好的实验证据。

MSC位于一个复杂的三维网络中，其中包含大量其他类型的细胞，例如骨髓、造血干细胞（HSC）、脂肪细胞和内皮细胞，它们共同嵌入不同的细胞外基质中，并且在这种混合中，MSC引导造血前体细胞分化为成熟子代[1••]. MSC似乎发挥了另一个相关功能，即维持血管完整性[2,3••]. 结合这些假设，可以设想，在组织损伤和损伤时，MSC被激活和/或从其血管周围生态位释放，以支持伤口愈合和组织再生。

此外，MSC被认为是对抗多种疾病的高效治疗资产：在这种情况下，最令人困惑的是，培养扩增的MSC发挥免疫调节活性，因为当在临终患者中输注高数量的MSC时，移植物抗宿主疾病可以被消融[4,5]; 目前体外正在探索扩大MSC在多发性硬化患者细胞治疗中的应用[6]; 最后但并非最不重要的是，基于其广泛的分化潜能，在再生医学和组织工程的前提下确定了方法，目的是重建受损或患病的器官和身体部位[7]，产生了一个几乎无止境的列表，仅列出了最近启动的临床试验（参见http://www.trial.gov网站).

随着年龄的增长，生理学、细胞增殖或信号转导的许多方面的严格控制日益恶化，有理由认为，这种上升的缺陷可能导致细胞分化的指导脱轨，而这反过来又会产生不利影响，如骨骼和肌肉中的脂肪堆积，或严重损伤后损伤愈合和纤维化，但也改变了造血和自身免疫。

MSC年龄

与体细胞类似，干细胞一生都会暴露在各种线程中，如活性氧（ROS）、生物毒素、有害化学剂或物理应激源，这些因素加在一起可能导致单个细胞过早衰老，或导致细胞加速死亡，但也会使细胞面临细胞转化的风险[8–11]. 在这种情况下，也有必要假设干细胞表现出增强的细胞修复能力，或其他尚未公开的保护措施，使它们能够有效地恢复本来无法修复的损伤。

虽然已经对HSC进行了关于这一特定主题的广泛研究，并且可以破译与年龄相关的不同变化和潜在的分子机制，但MSC老化的详细情况仍在发生体内是稀缺的，只是因为我们仍然缺乏关于身体环境中内在属性的一致性知识。很明显，这些干细胞和祖细胞类型的许多特征仅仅是从在体外观察。因此，目前正在评估它们实际参与再生和修复的生物过程，而没有考虑MSC在与密切相互作用的生态位细胞精心设计的相互作用中有效追求的实际活动和相互作用。除此之外，通过渗透到共同共享的微环境中的强大因素，这样一个细胞型企业集团肯定会得到足够的进一步协调。此外，大多数可用的文献都专门关注骨髓源性MSC，这无疑限制了对其作用的全面理解体内（请参见方框1).

关于年龄相关的变化，第一个简单的问题是MSC数量在成年期是否发生变化。已发表作品的概要产生了相互矛盾的结果。然而，这在很大程度上是因为没有就MSC分离的单一标准化协议以及如何继续对原代细胞分离物进行进一步分析达成协议。在此背景下的另一个重要问题是，常被忽视的一个事实是，分离物包含许多不同类型的细胞，特别是巨噬细胞和各种其他类型的造血细胞，这些细胞会影响菌落的形成在体外此外，异质性培养明显影响单个克隆的分化潜能，这使得确定原代MSC的真正多向分化程度很困难。考虑到随年龄增长的增殖潜力，公布的数据不太矛盾，因为大多数作者报告了长期培养中的表现下降。这种差异可能与MSC在高传代时显示端粒磨损有关，这种基因毒性应激最终可能导致有限的复制寿命在体外然而，端粒末端的长度，尽管在儿童中明显较高[12]在成年时保持相当长的时间[13,14,15•]. 这表明端粒酶在MSC中表达体内无论是在一个非常低的构成水平，还是在一个短暂的方式，从而保持染色体末端的适当结构。这清楚地表明MSC中发生的变化体内骨髓间充质干细胞（MSC）的斑片检查（在培养中重复老化）无法充分描述。

假设一个合适的细胞群体能够承受比衰老细胞更长的累积损伤和不可逆分子变化的复合，通过对细胞滑入最终衰老状态之前发生的畸变进行差异表达分析来进行规范，预计将产生有意义的见解。沿着这条路线，CD295（瘦素受体）被发现随着内在细胞老化而增加[16]. 流式细胞术对该表面标记物的分析进一步区分了一个独特的CD295-bright亚群，有趣的是，该亚群也对膜联蛋白V呈阳性染色。结论是，CD295表达增强标志着凋亡细胞。有趣的是，随着细胞年龄的增加，死亡率稳步上升。进一步考虑这个例子，区分MSC的表型显然更有价值，MSC是从不同年龄的健康个体中分离出来的，以揭示这些机制，这些机制实际上发生在自然情况下，而不是仅仅研究在体外MSC衰老。事实上，ROS产量增加的总估价[17]，SOD活性偏离[18]，全基因组基因表达谱[14,15•,19,20]和表观遗传特征[21]最近才有报道。

少骨头，多脂肪

几项功能研究已经解决了与年龄相关的变化是否会影响MSC固有再生潜力的问题。在缺血性心肌病免疫抑制大鼠模型中，来自老年供体的人MSC表现更差[22]. 在尝试将MSC用于神经系统疾病的细胞替代疗法中，可以激发神经外胚层分化潜能在体外MSC来源于年轻供体，但在MSC中完全失去了老年供体[23]. 在几项关于MSC支持造血干细胞及其后代的关键作用的研究中，来自年轻骨髓的细胞优于老年骨髓的细胞[24,25]. 随着MSC在临床上被应用于抑制移植物抗宿主病，很有兴趣发现年龄相关的变化是否也会在这方面扭曲MSC。据我们所知，迄今为止还没有进行过这样的尝试，也没有发表过解决这些问题的实验结果。同样，大多数数据都是关于从骨髓和骨髓中分离出的MSC，并且由于还有许多其他部位和细胞群含有间充质祖细胞，例如肌肉、脂肪、血管相关周细胞或血液，显然上述问题也适用于此：截至目前，目前还不能得出严格的结论，因为在后一种情况下，大多数问题仍然没有答案。

由于它们无处不在，个体MSC可能在以后的生活中逃离特定的命运控制，并被转移到产生不想要的后代。在血管壁的情况下，可以想象MSC样细胞可能参与动脉和心脏瓣膜的异位钙化，这通常发生在糖尿病、肾衰竭或动脉粥样硬化的过程中[26]. 异位骨形成被认为是一个很好的例子，证明了一种成熟的衰老生物学理论，即拮抗多效性。有趣的是，周细胞部位的MSC在面临炎症条件时正在经历成骨分化[27]. 这些结果表明，老化血管壁内的MSC显示出沿着成骨谱系发展的倾向，而不是转化为支持血管结构的细胞类型。

与之相反，在老年骨组织中，皮质骨和松质骨的质量和矿物质密度都在稳步下降，同时骨髓中出现越来越多的脂肪细胞。这种“脂肪生成转换”的关键决定因素的作用目前正在被揭示。成骨细胞和脂肪细胞命运的互斥性被认为是由CCAAT/增强子结合蛋白（C/EBP）等因素决定的，CCAAT/EBP是脂肪生成的触发因子，PPARγ促进脂肪细胞成熟，Runx2是成骨细胞转录介质。PPARγ信号转导受损将MSC的命运转移到成骨细胞系。wnt途径可以抑制PPARγ，有利于MSC向成骨细胞分化。其他与成骨细胞/脂肪细胞规范相关的转录介质包括ΔFosB、TAZ、Esr1、Msx2、C/EBPβ和Id4[28]. 碱性亮氨酸拉链转录因子、肌腱膜纤维肉瘤或Maf似乎是成骨细胞谱系随年龄变化的核心[29•]. Maf在MSC中高度表达，但在衰老和ROS存在时其表达显著降低。这种转录调节剂被认为是骨骼发育和平衡成脂与成骨基因表达的关键决定因素马夫^+/−小鼠骨形成减少，同时脂肪细胞数量增加。

许多实验室报告了年龄相关MSC分化能力的偏差，因为从老年供体中分离出的MSC的成骨潜能似乎下降，而相应的成脂分化性能保持不变，或者更糟，被发现增强。血管细胞粘附分子1（VCAM1/CD106）在致力于谱系特异性分化的间充质祖细胞中增加，并且该标记物在来自老年供体骨的原代MSC中也上调[15•]. 随着干扰素γ（IFNγ）或肿瘤坏死因子α（TNFα）激活MSC中VCAM1的表达，老年人的促炎细胞因子如TNFα水平升高[30]，脱轨的炎症信号可能扰乱调控组织特异性再生和重塑所必需的调节网络的微妙平衡(图1). 与之相反，调节良好的炎症刺激水平略有升高，这些炎症刺激通过支持成骨细胞生成来支持伤口和骨愈合[31]炎症过度，无论是急性还是慢性，都有利于脂肪分化。这与观察结果一致，骨丢失，也包括骨自身免疫性疾病过程中骨质疏松的进展，如果不是由炎症性疾病引起的话，也是相关的[32,33]. 因此，MSC微环境中的显性畸变可能由全身慢性炎症引起，如上文所述，慢性炎症在老年人中经常发生。它也可能通过不平衡的炎症和抗炎网络介导，从而导致终身抗原负担或与年龄相关的疾病。这些情况往往受到“炎症-老化’ (图1).

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图1

控制MSC极化、祖细胞发育和调节线索的炎症环境。间充质干细胞（MSC）与造血干细胞（HSC）嵌套在一个共同的生态位中，该生态位包含特定的结构特征，例如高密度血管（BV）。在那里，MSC将生物活性分子释放到其微环境中，例如趋化因子CXCL12、白细胞介素7（IL7）血管生成素-1（ANG1）或骨唾液蛋白1（BSP1，也称为骨桥蛋白）。与急性或慢性炎症损伤有关的环境因素混淆了MSC的活动

• （i） 分泌吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）、白细胞介素6（IL6）、白细胞介素8（IL8）、白细胞介素10（IL10）、前列腺素E-2（PGE₂)转化生长因子β（TGFβ），在激活toll样受体3或4（TLR3、TLR4）后作用于免疫细胞（IC）以触发特异性T辅助细胞（Th）反应；
• （ii）在低或短暂炎症刺激下传递成骨细胞（OB）的分化，同时检查脂肪生成细胞（AC）的进展；相比之下，在慢性炎症的周围，MSC子代的成骨命运停滞，脂肪分化得以维持；后者通过进一步分泌肿瘤坏死因子α（TNFα）或脂联素进一步传播炎症环境；
• （iii）在受保护的环境中，通过强大的骨结构支持造血前体细胞（HPC）的出现和多样性，而因脂肪生长而退化的干细胞邻近性阻碍了HPC的形成。

在老年人的生物通讯系统中经常观察到持续恶化的慢性炎症，常用的表达是“炎症-老化“已经被创造出来了。

MSC气味血

成年期的造血反应发生在骨髓中，一个潜在的HSC生态位与骨结构一致，即长骨的骨内膜和小梁腔。成骨细胞在功能上有助于这个狭窄的生态位(图1). 在小鼠中，巢蛋白表达的MSC与HSC和交感神经纤维密切相关[1••]后者规范HSC动员。与成骨细胞相比，巢蛋白⁺MSC用高水平的HSC维持因子如趋化因子CXCL12、血管生成素1、白细胞介素7或干细胞因子以及细胞外基质如骨唾液蛋白、骨桥蛋白调节其微环境(图1). 巢穴耗尽⁺细胞导致HSC动员，移植的造血祖细胞归巢大大减少。用HSC动员因子粒细胞集落刺激因子刺激巢蛋白⁺MSC产生大量CXCL12和其他因子，支持HSC干细胞和生态位保留。这些数据大大表明MSC确实是骨内HSC生态位的功能实体。总之，HSC和MSC共享一个共同的利基。

骨髓中也含有脂肪细胞，尽管备受争议，但它们很可能确实是MSC的后代。虽然通常被视为被动空间填充物，但直到最近脂肪细胞数量和主动造血之间的负相关才变得明显。值得注意的是，过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）是脂肪生成的主要诱导剂，是成骨细胞生成的负调控因子，可以想象，脂肪细胞实际上也可以以成骨细胞为代价形成[34]. 在遗传上不能形成脂肪细胞的小鼠中，如脂肪萎缩的A-ZIP/F1“无脂”小鼠品系，或用PPARγ抑制剂双酚-A-二缩水甘油醚治疗以诱导消除脂肪生成的小鼠，移植的造血前体细胞的植入大大增强。这些发现支持了以下观点：脂肪细胞通过分泌脂联素或TNFα等多种因子在骨髓微环境中发挥抑制作用，每种因子都可以通过阻碍祖细胞活性而损害造血细胞增殖。同时，脂肪细胞似乎对最原始的造血干细胞产生积极影响，这表明脂肪细胞在保护造血干细胞池的同时阻止了造血祖细胞的扩增(图1). 因此，MSC是两种共存的成熟细胞类型的来源，对HSC具有明显的拮抗作用。尽管主要问题仍未解决，尤其是MSC在分化过程中所经历的精确发育阶段就地，宽容的炎症影响似乎支配着血统承诺的决定体内.由于成骨细胞和脂肪细胞生成的失衡，整个造血系统可能会扭曲。

T淋巴细胞和自然杀伤细胞是促炎细胞因子的潜在来源。MSC与T细胞和许多其他免疫细胞相互作用，从而促进主要的调节过程。对CD4和CD8 T细胞的影响最具特征[35]. 无论是否经历幼稚或抗原，无论其功能状态如何，无论表达哪种T细胞受体，MSC都能抑制CD4⁺和CD8⁺非选择性和非特异性细胞[36,37]. 值得注意的是，IFNγ是释放这种抑制活性的关键“许可”步骤，该观察结果表明MSC不仅被动抵抗炎症刺激，而且实际上对炎症信号作出决定性反应。例如，吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）的表达上调，这在适当的时候会导致淋巴细胞中的色氨酸耗竭，从而阻碍其活性和增殖。前列腺素E₂（第页₂)MSC选择性产生另一种具有免疫抑制潜能的介质。它与IDO和MSC衍生PGE协同工作₂能够将炎症环境逆转为抗炎环境，改变树突和T细胞亚群的细胞因子分泌谱[38]. 由于这种抑制的可逆性，反应细胞不会被触发进行凋亡；MSC似乎在所有意图和目的上都能保护细胞免受凋亡，这与MSC的实际职责是支持组织修复的概念相一致。

类Toll受体（TLR）在MSC上表达。TLR4信号通过分泌IL-6、IL-8或TGF-β产生促炎症反应，对抗MSC免疫抑制活性[39]. 相反，通过TLR3激活MSC可诱导IDO和PGE₂以及抗炎细胞因子IL-10[40••]. 沿着这些路线操作，结果表明，患有严重脓毒症并因此死亡的实验动物可以通过输注MSC来获救，MSC可以重新编程巨噬细胞产生IL10[41•] (图1). 此外，应激反应、细胞保护和免疫调节分子血红素加氧酶1（HO1）也是这方面的关键因素。MSC产生的HO1触发特定T调节亚群（Tr1和Th3）的形成和IL-10的产生[42]. 在有MSC存在的情况下，树突状前体细胞通过产生IL10改变其命运并获得调节功能[43]. 尽管迄今为止管理这一特定MSC活动的监管网络基本未知，但IL10很可能是支点。

总之，有充分的理由相信上述所有细胞类别的命运和功能紧密相连，与年龄相关的变化似乎通过互补模式在一定程度上得到补偿，特别是保持记忆性T细胞和浆细胞处于非增殖状态，传播并支持免疫记忆的内稳态[44•]. MSC具有功能可塑性的概念对于理解MSC的生理学及其在病理过程和衰老过程中的假定作用无疑具有根本意义。

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