多能間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）具有很強(qiáng)的自我更新和多譜系分化潛能以及較低的免疫原性，因此在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注，具有良好的臨床應(yīng)用前景。

近年來，研究發(fā)現(xiàn)要設(shè)計(jì)用于替代受損組織的細(xì)胞療法，必須了解對(duì)MSC分化有重大影響的信號(hào)通路，因?yàn)檫@將有助于整合信號(hào)輸入以啟動(dòng)特定譜系。Hedgehog（Hh）信號(hào)在胚胎中各種組織和器官的發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。作為一種形態(tài)發(fā)生素，Hh不僅調(diào)節(jié)組織祖細(xì)胞和干細(xì)胞群的存活和增殖，而且是MSC分化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，涉及MSC的三譜系和跨胚層分化。

本綜述就Hh信號(hào)通路在間充質(zhì)干細(xì)胞向中胚層、內(nèi)胚層和外胚層細(xì)胞分化中的作用進(jìn)行綜述。

了解什么是多能間充質(zhì)干細(xì)胞，以及它的特性及臨床應(yīng)用

多能間充質(zhì)干細(xì)胞 (MSC) 是成體干細(xì)胞的一種，可從體內(nèi)多種組織中分離，例如骨髓、脂肪組織、外周血、臍帶組織、華通氏膠、羊水、牙齦、牙髓和胎盤組織。

由于MSC具有自我更新、多譜系分化和免疫調(diào)節(jié)能力，在再生醫(yī)學(xué)和炎癥性疾病的應(yīng)用方面具有巨大潛力。根據(jù)所提供的誘導(dǎo)信號(hào)和MSCs所處的微環(huán)境，它們不僅可以分化為中胚層譜系（如脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和肌細(xì)胞），還可以分化為外胚層譜系（如上皮細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞）和內(nèi)胚層譜系（如肝細(xì)胞、胰島細(xì)胞和肺上皮細(xì)胞），盡管MSCs起源于中胚層（圖1）。

與MSC相比，多能干細(xì)胞（PSC），包括人類胚胎干細(xì)胞（hESC）和誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC），具有廣泛的分化潛力，理論上可以分化成體內(nèi)的任何細(xì)胞類型。因此，MSCs是一種很有前途的干細(xì)胞來源，可用于各種再生醫(yī)學(xué)目的，并且已成為臨床實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的干細(xì)胞類型。

除了再生特性外，MSC還顯示出免疫調(diào)節(jié)的潛力。它們參與先天性和適應(yīng)性免疫調(diào)節(jié)并已被證明能抑制T細(xì)胞、B細(xì)胞和自然殺傷 (NK) 細(xì)胞的活化和增殖，以及抗原呈遞細(xì)胞 (APC) 的遷移和成熟。因此，MSC還被用于治療急性、慢性和嚴(yán)重的免疫疾病，如自身免疫性疾病 、急性肺損傷(ALI) 、慢性移植物抗宿主病 (GVHD) 以及組織和器官移植中的排斥反應(yīng)。這些研究表明，MSCs可以通過分泌細(xì)胞因子和與受損組織微環(huán)境相互作用來調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫功能并減輕炎癥。

此外，MSCs還具有多向分化潛能，可用于替換或修復(fù)受損或患病的細(xì)胞和組織，是再生醫(yī)學(xué)的理想材料。事實(shí)上，MSCs通過多種治療機(jī)制的應(yīng)用（圖2）已在治療多種疾病方面顯示出巨大的潛力，包括免疫和自身免疫疾?。ǘ喟l(fā)性硬化癥）、心臟病、糖尿病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病（阿爾茨海默病、帕金森病、脊髓損傷、中風(fēng)和創(chuàng)傷性腦損傷）、肌肉骨骼損傷、各種皮膚?。齻?、傷口和潰瘍）以及骨、軟骨和關(guān)節(jié)相關(guān)疾病。大量研究表明MSCs可以改善組織器官功能，降低死亡風(fēng)險(xiǎn)。

總體而言，MSCs已被證明對(duì)許多臨床疾病具有良好的耐受性、安全性和顯著的治療效果，導(dǎo)致一些國家批準(zhǔn)其使用。目前，臨床試驗(yàn)中涉及各種來源的MSCs的研究超過900項(xiàng)，而且這個(gè)數(shù)字還在不斷增加。因此，MSCs已成為再生受損組織細(xì)胞最有希望的來源之一，其未來臨床應(yīng)用的潛力巨大。

為什么Hh是介導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞分化的重要信號(hào)通路

Hh信號(hào)通路被認(rèn)為是介導(dǎo)MSCs分化的重要信號(hào)通路，原因如下：

1. 多譜系分化潛力：Hh信號(hào)通路在胚胎中各種組織和器官的發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。作為一種形態(tài)發(fā)生素，Hh不僅調(diào)節(jié)組織祖細(xì)胞和干細(xì)胞群的存活和增殖，而且還是MSC分化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，涉及MSC的三譜系和跨胚胎層分化。

2. 胚胎發(fā)育中的作用：Hh信號(hào)通路在細(xì)胞分化、組織與器官發(fā)育中扮演著重要的角色，主要由3種分泌型糖蛋白配體Shh、Ihh和Dhh，兩個(gè)跨膜蛋白受體Ptch1、Smo，3個(gè)核轉(zhuǎn)錄因子Gli1、Gli2、Gli3及下游的靶基因等組成。在Shh存在的情況下，Shh與Ptch1結(jié)合，解除了Ptch1對(duì)Smo的抑制，Smo進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，使Gli1和Gli2入核激活下游靶基因的表達(dá)。

3. 在肺發(fā)育中的作用：Hh信號(hào)通路在肺發(fā)育過程中的信號(hào)通路主要有Wingless/Integrated(WNT),轉(zhuǎn)化生長因子-β,SonicHedgehog(SHH)信號(hào)通路等。SHH則在肺芽遠(yuǎn)端上皮表達(dá)，它誘導(dǎo)胎肺成纖維質(zhì)細(xì)胞的增殖，參與調(diào)控胚胎細(xì)支氣管的形成及細(xì)化。

4. 在胰腺β細(xì)胞分化中的作用：Hh信號(hào)通路在胚胎腸道內(nèi)胚層向胰腺β細(xì)胞分化中起著重要作用。研究表明，盡管在胰腺器官形成的早期階段，Hh信號(hào)傳導(dǎo)已顯示抑制組織形態(tài)形成和細(xì)胞分化，但它對(duì)于胰腺β細(xì)胞成熟后期SHh通路的重新激活非常重要，特別是在維持由MSCs分化的胰島素分泌細(xì)胞（IPC）的胰島素分泌功能方面。

5. 與Pdx1的協(xié)同作用：胰腺和十二指腸同源框1（Pdx1）是胰腺發(fā)育和胰島素調(diào)節(jié)的關(guān)鍵基因，是β細(xì)胞成熟和維持β細(xì)胞功能所必需的。Pdx1的啟動(dòng)子含有Hh反應(yīng)元件，因此SHh會(huì)影響Pdx1的表達(dá)，從而誘導(dǎo)成熟胰腺β細(xì)胞的胰島素表達(dá)和分泌。

6. 在成骨分化中的作用：Hh信號(hào)通路可通過激活下游關(guān)鍵分子Smoothened（Smo）及Gli1促進(jìn)BMSCs成骨分化，并可通過IGF激活mTORC2-Akt信號(hào)產(chǎn)生類似作用。

綜上所述，Hedgehog（Hh）信號(hào)通路參與調(diào)控細(xì)胞增殖、遷移和分化。大量研究證實(shí)，Hh信號(hào)通路在MSCs體外向三胚層譜系細(xì)胞分化過程中以及在受損組織微環(huán)境中起著至關(guān)重要的作用。因此，在研究受損組織細(xì)胞的替代療法時(shí)，深入了解這一對(duì)MSCs分化有重要影響的信號(hào)通路至關(guān)重要，從而有助于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是在再生醫(yī)學(xué)和組織工程領(lǐng)域開發(fā)新的治療方法。

Hh通路在多譜系分化中的作用

研究證實(shí)，Hh信號(hào)在控制干細(xì)胞或祖細(xì)胞的增殖和分化中起著至關(guān)重要的作用 。因此，Hh信號(hào)通路對(duì)于MSCs的正確分化和維持干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。

研究表明，該通路在MSCs分化為各種細(xì)胞類型中起關(guān)鍵作用，調(diào)節(jié)參與MSCs分化的各種基因的表達(dá)，并決定細(xì)胞分化為不同的細(xì)胞譜系，例如中胚層細(xì)胞（成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和肌細(xì)胞）內(nèi)胚層細(xì)胞（肝細(xì)胞胰腺β細(xì)胞 [β細(xì)胞]和肺上皮細(xì)胞）和外胚層細(xì)胞（神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞）。

01Hh在間充質(zhì)干細(xì)胞中胚層分化中的作用

Hh信號(hào)通路調(diào)控MSCs的軟骨發(fā)生分化

Hh信號(hào)通路在MSCs的軟骨形成分化和體內(nèi)軟骨發(fā)育中起重要作用。IHh和SHh在微重力環(huán)境下誘導(dǎo)軟骨形成和軟骨形成有協(xié)同作用，促進(jìn)軟骨基質(zhì)的形成。

Hh信號(hào)通路調(diào)控MSCs的脂肪形成分化

Hedgehog（Hh）信號(hào)通路在間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）的脂肪形成分化中起著重要的調(diào)控作用。以下是Hh信號(hào)通路調(diào)控MSCs脂肪形成分化的關(guān)鍵點(diǎn)：

• 抑制脂肪細(xì)胞分化：研究表明，激活Hh信號(hào)通路能夠抑制豬脂肪源性間充質(zhì)干細(xì)胞（ADSCs）向脂肪細(xì)胞的分化。在ADSCs中，Hh信號(hào)通路的激活通過減少Gli1mRNA和蛋白的表達(dá)水平，降低脂肪細(xì)胞的數(shù)量和甘油三酯含量，抑制脂肪生成過程中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子C/EBPα和PPARγ，從而抑制脂肪細(xì)胞的分化。
• Leptin的作用：Leptin通過激活Hh信號(hào)通路抑制脂肪生成，減少前脂肪細(xì)胞存活率，促進(jìn)脂肪細(xì)胞凋亡，并抑制脂肪合成相關(guān)酶的表達(dá)，促進(jìn)脂肪分解相關(guān)酶的表達(dá)，從而抑制脂肪合成，促進(jìn)脂肪分解。
• Hh信號(hào)通路的抑制作用：在脂肪細(xì)胞分化過程中，Hh信號(hào)通路逐漸受到抑制，而leptin對(duì)Hh信號(hào)通路具有激活作用，尤其是在脂肪細(xì)胞分化的中后期。Hh信號(hào)通路的激活和leptin共同作用抑制脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子PPARγ和C/EBPα的表達(dá)，抑制脂肪細(xì)胞特異分子的表達(dá)，促進(jìn)抗脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，從而抑制脂肪生成。
• Hh信號(hào)通路在脂肪細(xì)胞發(fā)育中的作用：Hh信號(hào)通路在脂肪細(xì)胞的發(fā)育過程中起到抑制作用，特別是在脂肪細(xì)胞分化階段。在脂肪細(xì)胞分化過程中，Hh信號(hào)通路的激活抑制了脂肪細(xì)胞的數(shù)量，減少了調(diào)控脂肪分化的重要蛋白C/EBPα、PPARγ的表達(dá)，以及白色脂肪標(biāo)記蛋白Leptin、aP2的表達(dá)量。

綜上所述，Hh信號(hào)通路通過多種機(jī)制調(diào)節(jié)MSCs的脂肪形成分化，主要表現(xiàn)為抑制脂肪細(xì)胞的分化和成熟，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解脂肪形成調(diào)控方式和開發(fā)治療肥胖等相關(guān)疾病的新策略具有重要意義。

02Hh在MSCs外胚層分化中的作用

MSCs的神經(jīng)元分化

除了具有中胚層三系分化潛能之外，MSC還具有跨胚胎層分化為外胚層細(xì)胞譜系的能力，例如神經(jīng)細(xì)胞和肺上皮細(xì)胞。MSC向神經(jīng)細(xì)胞的分化是一個(gè)復(fù)雜的過程，受多種因素調(diào)控，包括轉(zhuǎn)錄因子、生長因子和信號(hào)分子。該過程中最重要的信號(hào)分子之一是SHh。以下是SHh信號(hào)通路在MSCs外胚層分化和神經(jīng)元分化中的作用：

• SHh在神經(jīng)細(xì)胞分化中的關(guān)鍵作用：SHh是一種分泌蛋白，參與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育和維持，在MSCs分化為神經(jīng)元中起著關(guān)鍵作用。SHh信號(hào)可調(diào)控神經(jīng)干細(xì)胞增殖分化，促進(jìn)神經(jīng)前體細(xì)胞分化、神經(jīng)元再生，引導(dǎo)神經(jīng)元自我修復(fù)。
• SHh信號(hào)與神經(jīng)退行性疾病：神經(jīng)元進(jìn)行性丟失和退化，以及神經(jīng)前體細(xì)胞產(chǎn)生新神經(jīng)元不足是多種神經(jīng)退行性疾病的共同病理特征。SHh信號(hào)在阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷頓病(HD)中參與神經(jīng)元分化與再生的作用機(jī)制，探討有效激活Shh信號(hào)促進(jìn)神經(jīng)元分化與再生的可能途徑。
• SHh信號(hào)促進(jìn)MSCs向神經(jīng)元分化：研究表明，SHh通過上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子（例如神經(jīng)原素-2 (Ngn2)、NeuroD1和Olig2）的表達(dá)，以及下調(diào)多能性維持轉(zhuǎn)錄因子Sox2和Oct4的表達(dá)，來促進(jìn)MSCs分化為神經(jīng)元的生物過程。
• SHh信號(hào)通路激動(dòng)劑PMA的作用：PMA作為SHh信號(hào)通路激動(dòng)劑，可以通過直接增強(qiáng)SMO受體活化來促進(jìn)神經(jīng)元分化。另有研究表明，PMA在聚己內(nèi)酯(PCL)支架上培養(yǎng)時(shí)能促進(jìn)MSCs向運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元樣細(xì)胞分化。
• SHh信號(hào)通路在神經(jīng)細(xì)胞分化中的調(diào)控機(jī)制：SHh信號(hào)通路的激活不僅能上調(diào)MSCs堿性成纖維細(xì)胞生長因子和血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)和分泌，而且還能通過上調(diào)SHh通路下游基因產(chǎn)物，如BDNF、NT-3和GDNF，介導(dǎo)其向神經(jīng)元的分化。

綜上所述，Hh信號(hào)通路在MSCs的外胚層分化，尤其是向神經(jīng)細(xì)胞的分化中起著至關(guān)重要的作用，為神經(jīng)退行性疾病的治療提供了新的策略和方法。03Hh在MSCs內(nèi)胚層分化中的作用

MSCs除了具有向中胚層細(xì)胞系分化的潛能外，還具有向內(nèi)胚層細(xì)胞系（如肺上皮細(xì)胞、胰腺細(xì)胞和肝細(xì)胞）分化的潛能。Hh通路在MSCs向內(nèi)胚層分化過程中起著重要作用。

MSCs向肺上皮細(xì)胞的分化

間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）向肺上皮細(xì)胞的分化是治療肺部疾病，尤其是急性肺損傷（ALI）、急性呼吸窘迫綜合征（ARDS）和慢性阻塞性肺病（COPD）等嚴(yán)重肺部疾病的一種潛在策略。以下是關(guān)于MSCs向肺上皮細(xì)胞分化的一些關(guān)鍵點(diǎn)：

ALI/ARDS的發(fā)病機(jī)制主要是由于機(jī)體免疫反應(yīng)失衡，導(dǎo)致過度炎癥造成肺泡上皮和內(nèi)皮細(xì)胞彌漫性損傷引起的嚴(yán)重急性缺氧性呼吸衰竭，其特征是肺順應(yīng)性下降、通透性增加導(dǎo)致肺水腫，常常發(fā)展為多器官衰竭和肺纖維化。

越來越多的數(shù)據(jù)支持MSCs在肺部疾病治療中的潛力和應(yīng)用前景。目前，I期和II期臨床試驗(yàn)已經(jīng)積累了證實(shí)這些細(xì)胞的安全性和耐受性的證據(jù)?；贛SC治療所展示的抗菌、抗炎、再生、血管生成、抗纖維化、抗氧化應(yīng)激和抗凋亡作用，這些作用可以阻斷ALI/ARDS的病理生理機(jī)制。

• Wnt/β-catenin信號(hào)通路的作用：Wnt/β-catenin信號(hào)通路在MSCs向肺上皮細(xì)胞分化中起著關(guān)鍵作用。研究表明，激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路可以促進(jìn)MSCs向肺泡上皮II型（AT II）細(xì)胞分化這種分化對(duì)于肺泡上皮的修復(fù)和再生至關(guān)重要。
• MSCs的歸巢和分化：MSCs能夠歸巢到受損的肺部，并在Wnt信號(hào)通路的介導(dǎo)下分化為II型肺泡上皮細(xì)胞（AEC II），參與肺泡上皮的更新。這種歸巢和分化能力使得MSCs成為治療肺部疾病的一種有前景的細(xì)胞來源。

MSCs通過旁分泌功能分泌多種類型的細(xì)胞因子或直接與免疫細(xì)胞和肺上皮細(xì)胞（I型和II型）相互作用，調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，修復(fù)肺損傷，提示MSCs與肺微環(huán)境的相互作用對(duì)肺部疾病具有更廣泛的治療作用。

MSCs的胰腺細(xì)胞分化

MSCs是治療I型和II型糖尿病的一種細(xì)胞治療方法。特別是，移植人工胰島素分泌細(xì)胞 (IPC) 是一種實(shí)用的方法，在治療I型糖尿病方面具有永久性的效果。大量研究表明，MSCs可以成功分化為功能性胰島細(xì)胞。在分化為IPC方面，MSCs可以從多種來源獲得，其中骨髓和脂肪組織MSCs是研究最廣泛的細(xì)胞。

在人類中，Hh通路在胚胎腸道內(nèi)胚層向胰腺β細(xì)胞分化中起著重要作用。研究表明，盡管在胰腺器官形成的早期階段，Hh信號(hào)傳導(dǎo)已顯示抑制組織形態(tài)形成和細(xì)胞分化，但它對(duì)于胰腺β細(xì)胞成熟后期SHh通路的重新激活非常重要，特別是在維持由MSCs分化的IPC的胰島素分泌功能方面。因此，操縱SHh信號(hào)通路可作為改善MSCs生成功能性IPC的可靠方法。

MSCs向肝細(xì)胞的分化

肝病是全球第11大致死原因。無論疾病的潛在病因如何，患者在疾病的后期都會(huì)出現(xiàn)類似的肝功能障礙。

目前，只有肝移植對(duì)晚期疾病有治愈作用，但供肝有限。利用MSCs制造的肝細(xì)胞樣細(xì)胞治療肝病是晚期肝病患者的有希望的策略，使得MSCs具有重要的研究價(jià)值和在肝病中廣闊的應(yīng)用前景。由于MSCs具有通過分化為肝細(xì)胞、抑制炎癥因子的釋放、增強(qiáng)肝內(nèi)細(xì)胞的增殖來促進(jìn)肝臟再生、減輕肝臟損傷的能力，因此基于MSCs的治療已成為促進(jìn)肝臟再生、修復(fù)肝臟損傷的重點(diǎn)。

有研究報(bào)道MSCs能促進(jìn)肝臟再生，其機(jī)制為：MSCs中miRNA-125b表達(dá)水平顯著升高，導(dǎo)致Smo降低，Hh信號(hào)抑制，從而減輕纖維化，最終促進(jìn)肝臟再生。

未來展望

細(xì)胞治療的目的是通過恢復(fù)適合組織修復(fù)和再生的細(xì)胞和分子環(huán)境來替換受損的駐留細(xì)胞。雖然MSC的作用機(jī)制主要與其分泌蛋白組（包括趨化因子、細(xì)胞因子、生長因子和核酸）有關(guān)，但細(xì)胞直接分化為功能性靶細(xì)胞可以更好、更快地促進(jìn)受損組織的再生和修復(fù)。盡管如此，分化效率低限制了MSC在臨床疾病治療中的應(yīng)用。優(yōu)化MSC的定向分化潛能可能是顯著提高M(jìn)SC治療效果的重要策略之一。

更重要的是，對(duì)MSC的觀察表明，當(dāng)暴露于特定的生長因子和底物混合物時(shí)，它們能夠轉(zhuǎn)分化為不同形式的中胚層、外胚層和內(nèi)胚層細(xì)胞。這些經(jīng)過體外定向分化誘導(dǎo)的靶細(xì)胞可以作為組織工程的種子細(xì)胞，更有利于受損組織的再生和修復(fù)。

• 信號(hào)通路對(duì)MSCs分化影響巨大，需要進(jìn)一步研究其在治療技術(shù)中的應(yīng)用。
• Hh信號(hào)通路的調(diào)控是引導(dǎo)MSCs定向分化的重要機(jī)制，如Hh信號(hào)調(diào)控MSCs的成骨和軟骨分化，有望用于治療骨質(zhì)疏松和軟骨發(fā)育不良等。

因此，在MSCs分化過程中合理調(diào)控Hh信號(hào)通路的表達(dá)，可最大程度發(fā)揮其對(duì)損傷組織和疾病的治療作用，發(fā)展和優(yōu)化再生醫(yī)學(xué)和組織工程中安全有效的治療策略。

參考資料：Wu M, Mi J, Qu G, et al. Role of Hedgehog Signaling Pathways in Multipotent Mesenchymal Stem Cells Differentiation. Cell Transplantation. 2024;33. doi:10.1177/09636897241244943

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