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干细胞的三大机制:多向分化、旁分泌、归巢效应
发布时间 : 2020-05-19

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干细胞是一类具有自我复制多向分化能力的细胞,被称为“万能细胞”,这依赖于干细胞的多向分化机制,干细胞拥有分化成为任何一个细胞的能力,通过分化成不同的细胞,继而可以组成各类器官和组织。


(一)多向分化



可以说,我们人体本身就是由一个干细胞产生的——胚胎干细胞。
除此之外,在成人体内,每天干细胞都在分化为肌肉、骨骼、器官、神经、血液……可以说,没有干细胞,人体的组织就无法得到修复。

间充质干细胞(MSCs)是目前科学界得到最多研究的干细胞。间充质干细胞虽不能发育成完整个体,却能够多向分化产生多种类型细胞。

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间充质干细胞分化成的不同细胞,组成了我们身体内的器官和组织

干细胞到底能分化成哪些细胞?




01  心肌细胞

间充质干细胞可以分化为心肌细胞,促进心肌细胞内源性修复,改善心肌功能,治疗心肌缺血、心力衰竭等心脏疾病



02  肾小球

间充质干细胞可以分化为肾小球,从而帮助身体过滤血液,并定向修复肾脏细胞,缓解肾虚等症状


03  胰岛β细胞

间充质干细胞可以分化为胰岛β细胞,该细胞可以分泌唯一智能调控人体血糖稳定的胰岛素,使I型糖尿病患者摆脱终身注射胰岛素的痛苦,彻底治愈。


04  血管内皮细胞

间充质干细胞可以分化为血管内皮细胞,不断新生的血管能够增加血管弹性和血管通透性,从而改善血管微循环,预防血管老化



05  神经细胞

间充质干细胞可以分化为神经细胞,修复神经系统功能障碍,是治疗神经退行性疾病如帕金森等的最佳途径。



06  肝细胞

间充质干细胞可以分化为肝细胞,有助于恢复急慢性肝损伤的肝细胞活力,改善脂肪肝、肝纤维化的状态,从而预防肝硬化,甚至肝癌的发生。


07  上皮细胞

间充质干细胞可以分化为上皮细胞、表皮组织,从而促进伤口愈合,深层肌肤修复,改善皮肤状态等


08  肺细胞

间充质干细胞可以间接分化为肺芽细胞,继而在气管和肺泡中进一步分化为肺细胞,修复肺组织中的受损细胞,改善呼吸,重塑健康


09  肌腱细胞

间充质干细胞可以分化为肌腱细胞,修复肌腱组织,作为新兴生物材料治疗肌腱损伤、撕裂等疾病


10  软骨细胞

间充质干细胞可以分化为软骨细胞,修复软骨磨损等关节损伤,从而缓解关节炎症


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,间充质干细胞由一个种子,可以通过多向分化机制,再生修复心肌细胞、肾细胞、胰岛β细胞、血管内皮细胞、神经细胞、肝细胞、上皮细胞、肺细胞、肌腱细胞和软骨细胞等,用于改善或治疗心脑血管疾病、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、肌腱损伤和骨关节炎等疾病

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多向分化——干细胞变成什么,从而达到治疗效果

旁 分 泌 ——干细胞释放什么,从而达到治疗效果


(二)旁分泌



神奇的旁分泌机制,让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SDF,能够抑制细胞的凋亡,保持年轻状态;

  • 分泌FGF,促进成纤维细胞新生,改善肌肤状态。

干细胞的旁分泌效应,能够表达、合成、分泌各类生长因子、细胞因子、调节因子、信号肽等多种生物活性分子,调节代谢、免疫、细胞分化、增殖、迁移、营养、凋亡等活性因子,并通过这些因子平衡了机体的内稳态,为干细胞免疫调节、抗凋亡等提供了适宜的环境。

按照各个生物活性因子的主要功能分类,可以分为如下4种类型:



01  生长因子

干细胞可以分泌促血管生成素1/2(Ang 1/2),血管内皮生长因子(VEGF),胎盘生长因子(PGF),成纤维细胞生长因子(FGF),血小板生长因子(PDGF),表皮生长因子(EGF),转化生长因子(TGF-b),胰岛素样生长因子(IGF),生长激素(GH)和肝细胞生长因子(HGF)等在内的多种生长因子。

这些生长因子能够主要参与调节细胞繁殖、支持、存活、迁移、分化等多种细胞反应,为组织再生和器官修复提供适宜的微环境。如:

  • VEGF、FGF、Ang1/2、HGF、PGF、PDGF和TGF-b等参与血管生成,促进血管内皮和平滑肌细胞的增殖和迁移,并促进缺血性血流恢复和血管重塑

  • IGF、VEGF、HGF等具有抗血管内皮、心肌、肾小管和肝细胞凋亡的作用。
  • HGF除了抗凋亡外,还能促进有丝分裂并通过抑制TGF-b表达抗纤维化
  • IGF还可以通过PI3K信号通路增强心肌细胞收缩性等。


02  细胞因子

干细胞能够产生白介素家族(IL),包括IL-1、IL-2、IL-3、IL-4、IL-6、IL-7、IL-8、IL-10、IL-11、IL-12等,肿瘤坏死因子家族(TNF),包括TNF-a,和趋化因子,包括巨噬细胞炎症蛋白(MIP-1a)、单核细胞化学趋化蛋白(MCP-1)等多种细胞因子,以及一些细胞因子的受体(配体)。

这些细胞因子能够主要参与调节代谢、炎症、细胞凋亡、防御等过程。



03  调节肽

干细胞合成并分泌包括钠尿肽(NP),包括C型利钠肽(CNP)、脑钠素(BNP)和心钠素(ANP)及其特异性受体等,降钙素基因相关肽(CGPR),肾素-血管紧张素系统,内皮素(ET)和肾上腺髓质素(ADM)等在内的多种调节肽。

这些干细胞分泌的调节肽能够主要参与涉及细胞存活与保护、心血管调节等过程,也为组织再生和器官修复提供稳定的内环境。


04  特异性活性因子

干细胞还产生一些特异性活性因子,不仅调节干细胞自身的存活、迁移、归巢和增殖等过程,还调节靶组织的功能与修复。这些因子包括,干细胞因子(SCF),干细胞衍生因子(SDF),干细胞衍生的神经干细胞支持因子(SDNSF)等。

其中,SCF是一种可溶性的生长因子,通过活化c-kit酪氨酸激酶受体发挥抗细胞凋亡作用;
SDF是G蛋白偶联受体CXCR4的配体,干细胞不仅分泌SDF,还表达CXCR4,两者配合通过SDF/CXCR4信号通路抑制干细胞凋亡,并在干细胞归巢中发挥重要作用。


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。




(三)归巢效应


概念:干细胞巢(niche)

干细胞周围的细胞形成像摇篮样的环境保护着干细胞,这一环境被称为微环境(干细胞巢,niche)。niche不仅给干细胞提供养分,同时还指导干细胞的行动,决定干细胞的分化方向。微环境由和干细胞相邻的各种细胞、细胞外基质(ECM)以及多种细胞因子等构成。



干细胞的归巢

除了造血干细胞之外,干细胞的归巢性主要是指的间充质干细胞。2009年,Krap等建议将“间充质干细胞归巢”定义为:MSCs在目标组织的脉管系统里被捕获,随后跨越血管内皮细胞迁移至目标组织的过程。

大量研究发现,当机体缺血、缺氧、损伤时,机体内或者外源性MSCs具有向损伤部位优势分布的特质。归巢是MSCs安全有效的应用于临床的关键。

微环境改变是MSCs归巢的始动因素,组织损伤局部表达多种趋化因子、黏附因子、生长因子等各种信号分子。不同的微环境分泌不同的信号分子,吸引MSCs定向到达该组织。干细胞归巢,最终归巢至骨髓,归巢至各个脏器,归巢至炎症及创伤部位,甚至归巢至肿瘤部位

一句话:干细胞归巢性, 犹如一部GPS,时刻指引着干细胞寻找回“家”的路。

在干细胞归巢机制的加持下,无论身体哪里出现了问题,都可以静脉注射,一次性方便、安全地将大量干细胞输送至身体损伤的部位,而不用担心刚输入就消失了。通过静脉输入的干细胞,也确实会在受损部位发挥积极的修复功能。



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。

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