何睿智，李俞婷，朱敏洁

(1华中科技大学同济医学院附属同济医院第二临床学院，武汉430030;2华中科技大学同济医学院附属协和医院;3华中科技大学同济医学院基础医学院)

间充质干细胞(MSC)是一种具有自我更新分化能力与广泛组织分布的成体干细胞，可从自身的脂肪、骨髓、外周血中获取，并可向脂肪、骨、软骨以及血管内皮方向分化，且相对于胚胎干细胞引起较轻的自身免疫反应［1］，因而，MSC移植成为许多退行性疾病和自身免疫性疾病很有前景的治疗方法。MSC受自身和外在多种因素的调控，其中电生理的条件，包括氧分压对MSC的功能有重要作用。有研究证明，MSC的体内正常生存环境的氧分压低至1% ～2%，更接近MSC的生理环境［2］。在此，我们对低氧分压对MSC的影响及其信号机制作一综述。

1 低氧对MSC存活的影响

MSC植入组织后，存活率极低，然而目前很多研究表明，低氧条件预处理可降低MSC凋亡率，提高存活率［3，4］。

1.1 低氧的直接作用 MSC在21%O2中处于一个相对氧浓度过高的状态，可生成活性氧，激活凋亡基因Bax、Bak，最终使线粒体膜通透性增加而导致细胞凋亡，而低氧则有效地抑制了这一过程，从而阻止凋亡。然而，有人观察到低氧条件下的MSC随着时间的延长，细胞凋亡率上升，但Zhu等［5］认为，低氧并不是导致细胞凋亡的直接原因，营养的缺乏才是其关键因素。虽然同期也有实验表明低氧降低了MSC的生存率，这可能与用于研究的细胞的年龄和低氧的程度有关。

1.2 低氧激活Akt信号通路 与常氧浓度相比，低氧条件下培养16 h后细胞的凋亡率下降，同时pAkt(磷酸化的Akt)增加，认为低氧条件培养的MSC能够激活Akt信号通路［4］，pAkt可使 Bad的 Serl36位点磷酸化，有效阻断Bad与Bcl-2或Bcl-xl形成复合体而表现促凋亡活性，Bcl-2能够稳定线粒体通透性的改变，从而阻止促凋亡因子如凋亡诱导因子(AIF)、细胞色素C的释放。pAkt还可抑制细胞中半胱天冬酶-3酶原(procaspase-3)向Caspase-3的转化，下调Caspases的表达，从而抑制凋亡，同时调节细胞内葡萄糖的代谢，增加低氧时能量的供应。

1.3 低氧增强c-Met信号和促进VEGF表达 低氧预处理24 h后传代培养发现，第2～6代的细胞VEGF、c-Met的表达量明显增加［3］，表明低氧增强c-Met信号并促进VEGF表达。c-Met是肝细胞生长因子(HGF)的主要受体，当与HGF结合后，可引发系列磷酸化反应调控细胞增殖，而c-Met信号也可调节细胞的黏附、侵袭能力和参与血管形成过程。HIF-1α存在于胞质内，是低氧诱导因子(HIF)的组成部分，常氧时迅速被降解，低氧能够稳定HIF-1α，让其进入细胞核与HIF-1β结合，启动VEGF、bFGF等低氧相关基因的转录。VEGF促进干细胞向血管内皮方向转化，对梗死部位血流的重建有重要的意义;除此之外，VEGF还能够通过与血管生成无关的机制降低细胞凋亡率，延缓衰老［6］。Rosová 等［4］人的研究发现，将MSC移植入小鼠后肢缺血模型，低氧组在前5天比正常组有很大改善，主要得益于低氧组血流恢复快。

1.4 其他 Pterson等［7］研究发现，低氧时survivin和pERK等抗凋亡分子表达都下调，然而细胞的存活率增加，同时内源性超氧化物歧化酶(SOD)的表达增加，因此认为低氧能提高抗氧化酶活性，降低亲氧化酶活性，减少活性氧的生成，使MSC处于更好的平衡状态。

2 低氧对MSC增殖的影响

目前，多认为低氧促进MSC增殖。众多实验表明，不同来源的MSC在低氧时细胞增殖能力显著提高，其主要受HIF-TWIST通路、ERK通路以及其他的机制调控。

2.1 HIF-TWIST通路调控增殖 HIF是由芳香烃受体核转运分子(ARNT)和HIF-1α组成的异质二聚体，HIF-1α可受O2浓度的调节而影响HIF的活性。TWIST是一基本的碱性螺旋—环—螺旋(bHLH)转录因子，通过上皮细胞间质转型(EMT)可促进肿瘤转移［8］，是HIF-1α下游的靶分子。低氧诱导HIF-1α表达增加，HIF-1α可调控TWIST，而使其增加。TWIST以剂量依赖的方式，通过结合E2A的启动子E-box，负性调控另一bHLH转录因子E2A。E2A能通过激活p21基因的方式抑制细胞增殖。E2A下调解除抑制细胞增殖，使细胞更长时间地处于增殖状态从而增加细胞的数量［9～12］。故能观察到低氧时处于G0/G1期的细胞减少，而S期和G2/M期的细胞增多，同时促进衰老基因p21的表达下降［9］。

2.2 ERK抑制p16表达调控增殖 MSC在常氧培养时，p16表达不断上调，而1%O2抑制了p16的表达，并可见衰老相关β-半乳糖苷酶(SA-beta-gal)阳性细胞明显减少，而这一过程检测整个MAPK通路相关分子只有ERK有明显差异［13，14］。细胞外信号调节激酶(ERK)，也被称为丝裂原激活的蛋白激酶(MAPK)，最早发现可介导丝裂原的信号转导。低氧有效抑制ERK1和ERK2的磷酸化，下调了p16基因的表达，抑制p16-Rb旁路ROS介导的细胞衰老，从而通过ERK信号调控增殖。通过检测HIF-1α诱导产生的抗氧化剂nPG，推断该过程独立于HIF 通路［11］。

2.3 其他 低氧时可检测到细胞增殖标记物CENPF［13］、PCNA 表达增加，而且 Cyclin D1 表达上调，CDK抑制剂p27下调［14］，认为低氧时细胞数的增多与细胞周期的加快有关。Ma等人发现，2%O2增强MSC的增殖，同时可上调干性基因OCT-4的表达上调，因此认为OCT-4在增殖的调控中发挥着重要作用［15～17］。

3 低氧对MSC分化的影响

3.1 成骨分化 多种来源的MSC已被证明可以分化为骨组织，多数的研究表明低氧抑制MSC的成骨分化［18～20］。低氧时MSC成骨分化能力比常氧时明显减弱，检测细胞里的ALP和OPN，其表达均略有下降，并且成骨相关基因RUNX、Ⅰ型胶原纤维、骨钙蛋白的表达都下调［17］。虽然有研究结论完全相反［16，21］，但他们的研究结果均一致发现，HIF-1α 表达上调，并认为RUNX低氧时的调节与HIF-1α的表达有关。RUNX2(即Cbfα1)，是成骨过程中的一个重要调节基因，它的表达及对下游基因的控制在成骨分化及成熟中发挥重要作用［20］。RUNX2有T1和T2两种异构体，TI RUNX主要表达于成骨细胞和软骨细胞的前体细胞中，可被FGF2诱导上调，并促进BMP2的表达，同时这又可提高T2 RUNX的转录。TWIST可以直接与RUNX P2的启动子(调节T1 RUNX的表达)结合，从而阻止T1 RUNX的表达，因而抑制 BMP2，从而降低 T2 RUNX和 T2 RUNX 下游的靶分子的表达［16］。Huang 等［19］人的实验也表明，HIF-1α下调RUNX的表达，但在培养过程中逐渐下调的RUNX，其表达随之上调，但是低氧诱导RUNX上调的机制却不清楚。

3.2 软骨分化 低氧对软骨形成的影响的研究比较多，只有少数的研究发现低氧抑制软骨形成，其他的实验都表明低氧促进软骨形成［14，19～24］。实验中，低氧不仅使软骨分化标志物Ⅱ型胶原蛋白(COL2A1)的表达提前，还提高了COL2A1表达的总量［14，20］，同时 SOX9 的表达也增加［17］。Zscharnack等［12］的研究表明，低氧使 X型胶原蛋白(COL10)表达增加。然而，Felka 等［22］发现，2%O2下调COL10的表达。已有研究表明低氧对软骨形成的影响可以通过 p38MAPK和 pAkt介导［23］，p38MAPK和pAkt低氧时可以稳定HIF-1α，阻止HIF-1α的降解，增强HIF-1α的作用，HIF-1α可以上调SOX9和COL2A1的表达，从而促进软骨分化。Murphy等［21］发现，HIF-2α在低氧促进MSC软骨方向分化过程中也很重要，不仅加速软骨分化的启动，还可以通过维持高水平的SOX9降低COL10的表达，阻止终末分化。

3.3 脂肪分化 低氧对MSC向脂肪方向分化的研究相对较少，而且实验的方法各不相同，说法尚不统一。Huang 等［14］和 Weijers等［17］研究发现，1%O2抑制ASC的分化，成脂相关基因ADPN和脂蛋白脂肪酶 LPL表达减少。Martin-Rendon等［13］发现，在1.5%O2中短时间培养后，成脂分化与常氧时无明显差异。Valorani等［24］采用先在增殖培养基，2%O2中培养AT-MSC 10 d后再用分化培养基培养3周的处理方法，发现低氧抑制成脂分化，然而当他们改用1%O2中增殖，再在常氧情况下分化发现低氧组的分化反而增强，这与Fehrer等［10］的研究结果相一致。表明低氧可能只是暂时地抑制了成脂分化。

虽然已有研究表明MSC还可以分化为血管内皮细胞、神经细胞，但是低氧对其分化的影响研究较少，在此不作介绍。

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