骨骼肌衛(wèi)星細胞的研究進展

門杰李越

(吉林大學體育學院，吉林 長春 130012)

衛(wèi)星細胞是位于基膜與肌膜之間未分化的成肌細胞，一般情況下這些細胞處于靜止狀態(tài)，當肌細胞受到損傷刺激時，衛(wèi)星細胞即被激活、更新、增殖、分化并與原有的骨骼肌細胞相互融合，形成新的肌纖維細胞。1961年，Muaor首次從青蛙骨骼肌纖維中分離出來，由于這類細胞位置及排列方式好似肌纖維的衛(wèi)星，因而得名衛(wèi)星細胞(satellite cell)［1］。在體育鍛煉和競技體育訓練中，持續(xù)的不間斷的和高強度長時間運動會造成機體的持續(xù)應激，引起肌肉微細胞結(jié)構(gòu)改變，出現(xiàn)運動能力下降和運動損傷［2］。骨骼肌衛(wèi)星細胞(satellite cell)在骨骼肌生長發(fā)育、損傷修復等生理過程中起重要的作用，因此對衛(wèi)星細胞的深入研究，對于肌組織損傷后的修復和重建等在臨床治療有重大的意義和廣闊的前景。

1 衛(wèi)星細胞的起源

骨骼肌衛(wèi)星細胞的來源，目前存在兩種假說:體節(jié)來源和非體節(jié)來源。體節(jié)來源假說來自于禽類模型中進行的嵌合體或種間移植實驗，將鵪鶉的胚胎中胚層生肌節(jié)移植到宿主雞的胚胎中，且被移植的鵪鶉細胞有明顯的形態(tài)特征，可以觀察到這些細胞從移植的中胚層生肌節(jié)遷徙到胚胎發(fā)育的肢體，并組成出生后雞骨骼肌中肌衛(wèi)星細胞群［3］。非體節(jié)來源假說來自于De Angelis等［4］的報道，實驗從胚胎背側(cè)主動脈分離到具有與肌衛(wèi)星細胞相似的形態(tài)和基因表達特征的細胞，將這種主動脈來源的細胞移植到新生小鼠后，發(fā)現(xiàn)這種細胞參與出生后肌肉的生長和再生，并可與中胚層生肌節(jié)來源的肌纖維融合，所以認為肌衛(wèi)星細胞可能起源于胚胎血管祖細胞。Bittner RE［5］和 Ferrari G［6］的研究發(fā)現(xiàn)將骨髓肝細胞注射到靜脈，也會參與骨骼肌再生，同樣具有衛(wèi)星細胞相似的特性。

2 運動損傷修復與衛(wèi)星細胞

人們在體育運動過程中發(fā)生的損傷稱為運動損傷，多與體育運動項目的技、戰(zhàn)術(shù)動作、運動訓練水平、運動環(huán)境與條件等因素有關(guān)。從事不間斷長時間和高強度運動后會發(fā)生的骨骼肌纖維微細損傷被稱為運動性骨骼肌損傷。運動性骨骼肌損傷后的再生和修復是其損傷病理過程中的組成部分。它是通過肌組織的同種特異性細胞的再生而重建其原有的正常結(jié)構(gòu)與功能，是對損傷過程中喪失的肌組織的補償，屬于完全病理性再生［7］。運動性骨骼肌損傷發(fā)生后，安靜的衛(wèi)星細胞(satellite cell，SC)被激活和RNA轉(zhuǎn)錄，加強EIMD的修復和再生，其過程是衛(wèi)星細胞被激活、更新、增殖與分化、細胞核增多、RNA轉(zhuǎn)錄、肌管系統(tǒng)生成和肌原纖維增多［8］。

2.1 衛(wèi)星細胞激活與更新

在成體的肌細胞中，衛(wèi)星細胞(satellite cell)處于靜息狀態(tài)，而不進行有絲分裂，即使在某些特定的情況下，也只有有限的基因表達和蛋白合成。然而，當受到外界刺激時，諸如損傷、牽拉或者肌肉萎縮引起的病變時，衛(wèi)星細胞卻能夠被激活［9］。機械性的損傷(運動損傷)或某些疾病可以使肌肉衛(wèi)星細胞激活，衛(wèi)星細胞的激活是肌肉再生中的重要步驟。但是衛(wèi)星細胞在靜息狀態(tài)和增殖的過渡時期，是什么因素引起了衛(wèi)星細胞的激活，被激活的機制至今沒有明確的研究結(jié)果。細胞內(nèi)在的信號可能由細胞膜內(nèi)的1-磷酸-鞘氨醇(sphingosine1phosphate，S1P)引起S1P是細胞膜磷脂代謝的中間產(chǎn)物，是衛(wèi)星細胞進入細胞周期和骨骼肌的再生所必需的［10］。

對于肌纖維的機械牽拉會引起大量的細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導，包括NO的合成，繼而引發(fā)了肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)的釋放，從而引起了衛(wèi)星細胞的激活，說明HGF的受體cmet可能是衛(wèi)星細胞激活早期的表達基因［11］。NO還促進了雌激素抑制劑(Follistatin)的表達［12］，NO可以對抗肌肉生長抑制(Myostatin)，在靜息狀態(tài)下的衛(wèi)星細胞表達的骨骼肌形成的負向調(diào)節(jié)因子，對肌衛(wèi)星細胞既抑制增殖又抑制分化的雙重負性作用，F(xiàn)ollistatin可能導致衛(wèi)星細胞退出靜息狀態(tài)［13］。

第三種激活衛(wèi)星細胞的因素是細胞環(huán)境中的生長因子骨骼肌衛(wèi)星細胞生長因子包括:肌分化因子(MyoD)、成肌調(diào)節(jié)因子(Myf5)、胰島素樣生長因子(IGFs)、成纖維細胞生長因子(FGF)、表皮生長因子(EGF)、血小板衍生生長因子(PDGF)、轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)、肝細胞生長因子(HGF)、白血病抑制因子(LIF)等調(diào)節(jié)因子。MyoD屬于生肌調(diào)節(jié)因子蛋白家族，是骨骼肌形成的最早標志物，它只在激活的衛(wèi)星細胞中表達，能將多種類型細胞轉(zhuǎn)化為成肌細胞，并促使成肌細胞融合為肌管，而在靜息狀態(tài)下的衛(wèi)星細胞中沒有表達［14］。成肌調(diào)節(jié)因子存在靜止期的肌衛(wèi)星細胞中，可以激活的肌衛(wèi)星細胞來表達并自我激活和相互激活。成肌調(diào)節(jié)因子是骨骼肌衛(wèi)星細胞激活過程中表達最早的基因，它能把多種類型的細胞轉(zhuǎn)化為成肌細胞并促進肌細胞的融合成肌管［15］。胰島素樣生長因子屬胰島素多肽家族，許多研究表明肌肉損傷后可見再生骨骼肌細胞和肌衛(wèi)星細胞表達 IGF-1。IGF-1和 IGF-2在發(fā)育過程中骨骼肌高水平表達，在成熟骨骼肌表達的水平則很低。所以，IGF-2水平與分化的成肌細胞中的生肌基因水平相關(guān)［16］。成纖維細胞生長因子(FGF)能夠引發(fā) MAPK信號轉(zhuǎn)導，而p38α/βMAPK信號可以激活衛(wèi)星細胞并調(diào)節(jié)衛(wèi)星細胞的靜息狀態(tài)［17］。肝細胞生長因子(HGF)能夠激活休眠的衛(wèi)星細胞，縮短安靜衛(wèi)星細胞進入分裂周期的時間［18］。骨骼肌衛(wèi)星細胞激活過程的生長因子都起到重要作用［19］。

肌肉衛(wèi)星細胞具有自我更新的能力，以維持其數(shù)量的內(nèi)穩(wěn)定。Collins［20］等研究結(jié)果表明，純化的骨骼肌衛(wèi)星細胞具有修復肌肉及自我更新的能力，衛(wèi)星細胞的自我更新途徑與分化途徑的動態(tài)平衡是衛(wèi)星細胞維持干細胞功能及發(fā)揮作用的關(guān)鍵，骨骼肌衛(wèi)星細胞的自我更新能夠維持衛(wèi)星細胞池的穩(wěn)定，是其發(fā)揮重要作用的基礎(chǔ)。肌肉衛(wèi)星細胞的自我更新存在兩種機制:一是由于非對稱性分裂所造成的，大部分的子細胞定型于肌源性分化，而另一部分的子細胞重新成為衛(wèi)星細胞［21］;二是肌肉衛(wèi)星細胞進行對稱性分裂，其中一個激活衛(wèi)星細胞可以退出細胞循環(huán)，重新進入靜止狀態(tài)，并可以被再次激活進入細胞循環(huán)，以進行衛(wèi)星細胞的更新［22］。衛(wèi)星細胞被激活后，衛(wèi)星細胞將離開原來的位置，移動到基膜之外，開始新細胞周期，同時Pax7和MyoD表達增加。衛(wèi)星細胞激活后逐步形成新的骨骼肌纖維，經(jīng)過了多次的分化，將使得Pax7表達下調(diào)，肌細胞開始分化、融合，形成多核肌管［23］。一部分成肌細胞會維持Pax7的表達，逐漸的減少其他標志物的表達，最終退出細胞周期［24］。將遺傳學標記的肌纖維(使用LacZ探針標記)植入滅活的mdx肌病模型小鼠中后肢肌肉，該實驗發(fā)現(xiàn)了衛(wèi)星細胞自我更新的直接證據(jù)［25］。但是，現(xiàn)在還無法確定自我更新的直接機制。

2.2 衛(wèi)星細胞增殖與分化

衛(wèi)星細胞增殖/分化對骨骼肌損傷修復的具有重要意義。骨骼肌纖維在受損后自身并不具備再生能力，損傷后肌纖維的修復主要是通過黏附于肌纖維漿膜層和基底膜之間的肌衛(wèi)星細胞的活化、增殖和分化來實現(xiàn)的。經(jīng)過數(shù)輪的增殖，大部分衛(wèi)星細胞分化、融合形成新的肌纖維，或修復損傷的肌纖維。修復后，靜止期的衛(wèi)星細胞重新回到基底膜下等待以后的再生［26］。在受到刺激下，這些細胞的信號轉(zhuǎn)導途徑被特異性地激活，影響調(diào)控成肌轉(zhuǎn)錄因子MRFs的表達，對肌衛(wèi)星細胞增殖分化的潛能發(fā)揮效應，從而影響受損骨骼肌繼發(fā)性的修復和再生過程［27］。MRFs在肌形成過程中是必不可少的，而Pax7也是維持衛(wèi)星細胞的自我更新與發(fā)育所必需的。Gruss［28］等，發(fā)現(xiàn) Pax基因是一個進化上高度保守的發(fā)育調(diào)控基因家族，可以編碼核轉(zhuǎn)錄因子。衛(wèi)星細胞的生肌潛力主要由Pax基因的表達、生肌調(diào)節(jié)因子的相繼激活以及Pax3/7的再表達所決定。Collins［29］等報道，Pax7或 Pax3基因在衛(wèi)星細胞或C2C12成肌細胞系中的組成型表達(constitutive expression)能夠促進細胞的增殖和減小細胞的尺寸。

衛(wèi)星細胞在增殖和分化過程中是多種信號轉(zhuǎn)導通路在此過程中發(fā)揮作用，不同的細胞因子通過不同的信號傳導通路抑制或者誘導成肌細胞的定向分化。成纖維細胞生長因子(FGF)不僅能使衛(wèi)星細胞的增生加強，而且還可以減弱衛(wèi)星細胞向肌纖維的分化。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)GF家族中FGF-1，-2，-4，-6及-9可刺激衛(wèi)星細胞增生。McCroskery［30］等研究發(fā)現(xiàn)TGF-β家族各因子通過SMAD蛋白家族介導其信號的轉(zhuǎn)導，通過抑制MyoD家族的轉(zhuǎn)錄活性而抑制衛(wèi)星細胞的增生與分化。在骨骼肌修復再生過程中，TGF-β受體Ⅱ(TGF-β-RⅡ)與IGF配體的表達成反比，在肌肉衛(wèi)星細胞分化加強之前，先出現(xiàn)細胞顯著增生。Anastasi［31］等研究發(fā)現(xiàn)，肝細胞生長因子(HGF)是衛(wèi)星細胞有力的促分裂劑和趨化劑。它可以促進DNA的合成、抑制細胞的分化;從而引細胞群形狀的改變，最終導致更多肌纖維的形成。McCroskery［30］等研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)可能會抑制骨骼肌衛(wèi)星細胞的增殖，抑制成肌細胞分化。這些生長因子可以通過不同的途徑促進肌衛(wèi)星細胞分裂增殖，從而形成新的肌細胞。

3 衛(wèi)星細胞與炎癥反應

炎癥(inflammation)對機體的損傷的局部組織所呈現(xiàn)的反應稱為炎癥反應。骨骼肌急性損傷后，首先在損傷的局部出現(xiàn)肌纖維結(jié)構(gòu)破壞、變性和壞死，之后炎癥細胞和致炎因子浸潤至損傷周圍部位。孫茹［32］研究發(fā)現(xiàn)炎性細胞和致炎因子對肌再生起到了重要的作用，同時還發(fā)現(xiàn)適宜的炎性細胞的對衛(wèi)星細胞的激活有一定的促進作用，即炎性細胞在一定的范圍內(nèi)數(shù)量較多時，能夠促進衛(wèi)星細胞的激活，但炎性細的數(shù)量超過一定的范圍，即肌肉損傷程度較重時，其激活作用受到抑制。孫茹，趙立君［33］等云南白藥能夠抑制炎性細胞對損傷后肌肉組織的破壞作用，縮短炎癥反應進程，促進損傷后肌纖維的修復，對骨骼肌衛(wèi)星細胞的增殖有一定的促進作用。陶谷楊［34］研究發(fā)現(xiàn)胃腸道灌入布洛芬能明顯減輕炎性骨關(guān)節(jié)損傷大鼠損傷側(cè)關(guān)節(jié)的疼痛性行為反應，下調(diào)炎性骨關(guān)節(jié)損傷大鼠血清中MMP-3的濃度，其可能分子機制在于這兩種藥物通過抑制關(guān)節(jié)炎大鼠MMP-3的過度表達，從而減輕關(guān)節(jié)炎的癥狀和軟骨破壞，達到緩解疼痛的目的，以及通過胃腸道灌入布洛芬炎性骨關(guān)節(jié)損傷脊髓中炎性細胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6和 GABA 的表達也都有明顯的下調(diào)效果。

炎性反應在骨骼肌損傷部位發(fā)揮著雙重作用，一方面:炎癥因子在損傷部位吞噬壞死細胞和損傷的細胞碎片，另一方面:通過分泌生長因子激活靜息的肌衛(wèi)星細胞，使其自我更新、增殖、分化形成新的肌管細胞進而發(fā)育成新的肌纖維，修復損傷的肌纖維，完成肌肉的再生。

4 總結(jié)與展望

研究衛(wèi)星細胞已有50多年歷史，大量研究也揭示了骨骼肌衛(wèi)星細胞在骨骼肌生長、修復和再生中起重要作用，但是骨骼肌肌衛(wèi)星細胞從靜止到激活、增殖、分化的分子調(diào)控機制不甚明了，隨著細胞生物學和分子生物學的發(fā)展，新的試驗設(shè)備的不斷出現(xiàn)，該領(lǐng)域的研究得到了突飛猛進的發(fā)展，不斷有新的理論和研究成果出現(xiàn)，研究領(lǐng)域更加深入也更加全面。

未來的研究將根據(jù)衛(wèi)星細胞自身的特點，根據(jù)修復再生能力改變傳統(tǒng)的疾病和運動損傷治療方法，對衛(wèi)星細胞進行體外培養(yǎng)與機體的植入對臨床治療肌肉萎縮、帕金森病等退行性病變進行有效的治療。同時我們也會遇到挑戰(zhàn)，還需要不斷的探索和研究。

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