低氧对间充质干细胞生物学行为影响.doc

低氧对间充质干细胞生物学行为影响随着医学分子生物学、细胞生物学及高分子材料学的快速发展，使干细胞技术运用于临床成为可能，再生医学的研究内容就是如何将干细胞发育成组织并应用这种潜能进行组织替代疗法，从而恢复受损组织的正常结构和功能[1]。再生医学的研究，都是围绕干细胞而展开的，其中间充质干细胞由于其分离培养简便，具有自我更新能力和多分化潜能等优点，受到了最多的关注。早在1966年，Friedenstein[2]首次描述了使用骨髓来源的间充质干细胞在组织中进行培养。之后Caplan[3]发现这种细胞在各间质谱系中具有分化潜能，并将这类细胞命名为间充质干细胞。间充质干细胞具有分化为血液、骨、软骨、脂肪、肌肉、表皮、上皮、神经等组织的潜能，在组织再生和创伤修复过程中发挥着重要作用，同时也是再生医学研究中最重要的种子细胞[4]。在干细胞研究中，细胞体外培养是必不可少的步骤，其中细胞微环境是影响其生物学行为的重要因素，培养所需的最适氧张力被认为是微环境的重要组成部分。生理氧张力在不同的组织中各不相同，在血液中约为12%，而在深部的软骨组织低至1%[5]，在骨髓中氧的张力被认为在4%～7%[6]之间或者低至1%～2%[7-8]。目前均认为，细胞在体内的氧张力低于大气中的氧张力（21%）。早在1958年，Cooper等[9]发现在低于常氧的条件下培养细胞时，某些细胞的增殖能力更强。此外机体也常会有病理性低氧状态，如心脏骤停后由于缺氧造成组织缺血问题。近些年低氧在再生医学领域的研究倍受关注[10-12]。本文结合相关文献全面综述了低氧对间充质干细胞生物学行为的影响及其相关分子机制，试图摸索细胞最适培养环境。通过控制细胞培养的氧浓度为更好地培养间充质干细胞，并使其在再生医学的运用中达到预期的成果提供依据。 1 低氧对间充质干细胞凋亡的影响 将细胞植入到缺血部位后，细胞在长期修复应答反应中的存活能力对再生医学来说非常重要。Geng等[13]将MSCs注入到心肌梗塞的小鼠心室，4天后检测到99%的MSCs死亡。也有文献报道MSCs运用于椎间疾病[14-15]或软骨修复[16]中的远期死亡较少。在缺氧环境中，细胞并不依赖三磷酸腺苷（ATP）氧化磷酸化所提供能量，因为这条通路在氧的环境进行。而糖酵解作用并不需要氧的参与，因此该通路为缺氧下的细胞提供能量。Zhu等[17]的研究中将MSC置于3%的低氧及无血清条件下（模拟缺血环境）培养，细胞中半胱天冬蛋白酶-3（caspase-3）活性增高，发生依赖caspase的凋亡，但是单独的低氧条件并不能增高caspase-3的活性，诱导凋亡的效应不明显。该研究结果表明，MSC对低氧缺血的环境敏感，但导致其凋亡的主要因素不为低氧。细胞通过转录因子的作用对氧起反应，最重要的影响因子是低氧诱导因子－1α（hypoxic inducible foctor-1,HIF-1α）。HIF-1α在常氧下被降解，在低氧条件下稳定表达[18]。Greijer等[19]的实验表明，低氧的严重程度决定着细胞凋亡，0.5%的氧可以启动细胞的凋亡，在此过程中涉及HIF-1诱导血管内皮生长因子（Vascular Endothelial Growth Factor,VEGF）的表达升高，若抑制VEGF的表达，细胞凋亡数增加。 尽管间充质干细胞能在缺血的组织中存活几天，但我们需要的是长期存活能力。在低氧下预培养MSCs能增强细胞移植到体内后的存活率[20]。这些都是经过一系列复杂的信号通路后所产生的减少细胞凋亡的有利结果。由于低氧可增强Akt基因蛋白表达，孔宏亮等[21]将转染和未转染Akt基因的大鼠骨髓间充质干细胞置于1%的氧浓度培养，发现转染Akt基因的间充质干细胞能减少低氧时的凋亡和提高缺氧时的增殖能力。 2 低氧对间充质干细胞增殖的影响 生理健康组织的氧体积分数大多都低于常氧，骨髓也处于低于常氧的环境中，而间充质干细胞主要来源于骨髓。相关研究表明，在生理氧张力范围下培养间充质干细胞能促进其增殖。Lennon等[6]在低于5%的氧中培养小鼠的MSCs，发现其增殖率相对常氧下培养大约多出40%。Grayson等[22-23]的实验也得到相同的结论，他们将氧体积分数降至2%时，在三维支架中培养出的细胞比常氧下培养出的细胞数量明显增加，并且他们发现在三维支架中培养的细胞初期时显示出一个长时间的延迟期，但在培养23天后其增殖率仍比常氧下高出许多倍。Grayson等认为在低氧下培养间充质干细胞并不能使其短时间内迅速增殖，而是使细胞增殖的持续时间被延长了，表明低氧是在培养后期（G2/S/M）维持其增殖速率。对于间充质干细胞在低于常氧下培养是在短期内还是在培养后期提高其增殖率，研究者的结果各不相同。Rosova等[24]将