間充質干細胞免疫原性和免疫調節(jié)作用的研究進展

(南華大學附屬第二醫(yī)院神經內科,湖南衡陽421001)

間充質干細胞(MSCs)是源自中胚層的非造血干細胞,可以從胎兒附屬物、臍帶、脂肪、骨髓等組織中分離得到,MSCs在適宜條件下可以分化為內、中、外3個胚層的組織。研究發(fā)現(xiàn),MSCs具有免疫調節(jié)作用,在受到相關創(chuàng)傷和細胞因子刺激后能抑制免疫系統(tǒng),發(fā)揮抗炎和抗增殖的作用[1],本文主要就MSCs的免疫調節(jié)特性作一綜述。

1 MSCs的免疫原性

MSCs免疫原性低,以往考慮主要與低表達主要組織相容性復合體MHCⅠ,不表達MHCⅡ類分子、Fas配體及共刺激分子 B7-1、B7-2、CD40L、CD40 等有關[2]。在體外試驗中,將MSCs與各類包括同種或者異種的T細胞共培養(yǎng)后并不能引起T細胞的增殖[3],即使加入 IFN-γ誘導 MSCs表達完整的MHCⅡ類分子后[4]?；蛘呤窃诨旌狭馨图毎信囵B(yǎng)或有絲絲裂原PHA(植物血凝素)或者刀豆蛋白(ConA)刺激下,仍未見免疫應答,充分表明MSCs的低免疫原性[5]。同時在混合淋巴細胞反應中提供B7-1、B7-2、CD40L、CD40 等共刺激因子后,未能引起免疫應答。提示MSCs的低免疫原性與MHC及共刺激因子的表達無關,而與MSCs對免疫細胞的直接抑制作用及分泌相關因子形成免疫抑制微環(huán)境有關。并且有研究表明這種抑制作用對各類T細胞亞群均有效。在動物試驗中發(fā)現(xiàn),經體內擴增的HLA相合供者或“第三者”來源的MSCs輸入動物體內后,未發(fā)生免疫排斥反應,且能顯著延長移植器官存活時間,提示MSCs植入體內也具有低免疫原性,且能發(fā)揮免疫抑制效應[5]。另外MSCs分化成其他類型如軟骨、脂肪、成骨等細胞后,仍然具有低免疫原性[6]。綜上所述,無論何種MSCs都不會誘發(fā)宿主強烈的免疫排斥反應,因此MSCs可作為一種安全有效的基因治療載體。有研究認為,在沒有足夠的證據(jù)證明異體MSCs體內移植不會引起免疫排斥反應之前,有必要適量應用免疫抑制劑,由此可見,MSCs的免疫原性問題引起了爭議。

2 MSCs對各類免疫調節(jié)細胞的作用

MSCs對各類免疫細胞均具有免疫調節(jié)作用,即使在體外擴增培養(yǎng)的MSCs在體內也可以發(fā)揮免疫調節(jié)作用,但由于自然狀態(tài)存在于人體內的MSCs較少,發(fā)揮免疫調節(jié)作用機制未完全研究清楚,考慮主要與直接接觸及分泌可溶性因子有關。但是實驗環(huán)境、實驗人員的不同會造成結果的差異。

2.1 MSCs對T淋巴細胞的調節(jié)作用

MSCs抑制T細胞的具體機制尚未完全清楚,主要考慮是由細胞間直接接觸和分泌可溶性細胞因子來發(fā)揮作用的。Krampera等[7]認為細胞直接接觸是產生抑制作用的必要條件,然而Di Nicola等[8]應用Transwell系統(tǒng)表明細胞間直接接觸和MSCs產生的可溶性細胞因子都在MSCs的免疫抑制中發(fā)揮作用。MSCs與T細胞的直接接觸非必要條件,避免兩者直接接觸后T細胞的增殖仍然受到明顯抑制,考慮是可溶性因子發(fā)揮作用。當然,若允許MSCs與T細胞的直接接觸,則抑制作用將明顯增強。直接接觸是通過受體與配體結合的方式發(fā)揮作用,MSC缺乏共刺激因子,通過表達的PD-L1和PDL2與T細胞表達的PD-1分子結合傳遞免疫信號,抑制T細胞的活化與增殖[9]。另外MSCs還可以分泌可溶性因子如轉化生長因子(TGF-β1)、肝細胞生長因子(HGF)、INF-γ、白介素-10(IL-10)[10]、前列腺素E-2(PGE-2)、吲哚胺2,3加氧酶(IDO)[11-12]、NO[13]等發(fā)揮免疫抑制作用。在混合淋巴細胞實驗中加入MSCs發(fā)現(xiàn)IL-10水平有所升高,阻斷IL-10信號通路能夠部分恢復T細胞的增殖[14]。Di Nicola等[8]發(fā)現(xiàn)TGF-β1和HGF以協(xié)同的方式介導了MSCs的免疫抑制效應,在MSCs抑制的T細胞中分別加入TGF-β1或HGF中和抗體后,可部分恢復T細胞的功能,倆者同時加入則T細胞可恢復至正常無MSCs的水平。另有研究發(fā)現(xiàn)MSCs在經IFN-γ等細胞因子誘導下可表達IDO,該酶作用機制可能是將色氨酸酶解為犬尿氨酸,從而抑制T細胞增殖,而加入色氨酸能夠恢復T細胞的增殖[15]。實際上MSCs的免疫調節(jié)作用是復雜的網(wǎng)絡體系,與多種細胞因子的綜合作用是分不開的,同時免疫微環(huán)境也是重要因素之一。此外Le-Blanc等[16]發(fā)現(xiàn)MSCs對T細胞的抑制作用成劑量依賴性,當混合淋巴細胞中MSCs的個數(shù)是(10～1 000個)時對T細胞增殖有促進作用,當數(shù)量是(10 000～40 000個)時則具有明顯抑制作用。同時MSCs對T細胞的作用是可逆性,接受新刺激時受抑制的T細胞仍能增生,可推測這種抑制作用并不是誘導凋亡而是限制其增殖能力來發(fā)揮抑制作用。

2.2 MSCs對B細胞的調節(jié)作用

B細胞是另一類主要的免疫細胞。MSCs與B細胞的作用機制是通過細胞之間的直接接觸來發(fā)揮作用。同時研究發(fā)現(xiàn)單獨培養(yǎng)的MSCs上清液與B細胞不能發(fā)生反應,只有在兩者共培養(yǎng)的情況下,MSCs才能抑制B細胞的增殖。說明MSCs通過可溶性細胞因子來起主導作用的,與T細胞類似,但是前提是得激活MSCs。具體來講MSCs主要通過抑制B細胞的增殖、分化、趨向性及抗體的生成來發(fā)揮作用,如抑制CCR7、CXCR4、CXCR5及其配體CXCL13、CXCL12的表達來影響B(tài)細胞的趨化能力,CXCL12、CXCL13在B細胞歸巢于次級淋巴器官中起決定性作用。另外阻止B細胞分化為漿細胞,抑制 IgM、IgA、IgG 的生成[17]。 Corcione等[18]報道稱MSCs不是通過誘導凋亡而是通過使B細胞滯留于G0/G1期來抑制B細胞的增殖,這說明MSCs的作用不是永久性的,當抑制因素去除,B細胞仍能恢復增殖。同時Krampera等[19]研究發(fā)現(xiàn)IFN-γ在MSCs對B細胞的調節(jié)中起主導作用,其機制可能是誘導MSCs表達IDO,而此種表達是通過色氨酸途徑抑制B增殖的。MSCs對B細胞調節(jié)作用存在較大爭議,研究較晚,需要更進一步的研究來證實。

2.3 MSCs對NK細胞的調節(jié)作用

NK細胞是固有免疫的重要效應細胞,在抗腫瘤及抗感染中扮演著重要的角色,MSCs抑制NK細胞的機制較復雜,主要是通過直接接觸和分泌可溶性因子來發(fā)揮作用的。其因子中PGE2和TGF-β被認定是最重要的[20],IDO的作用有也相當重要。MSCs通過下調NK細胞表面激動受體如NKp44、NKG2D和NKp30的表達來抑制NK細胞的增殖、毒性及因子的分泌[21]。同時有研究表明MSCs與NK細胞作用是相互的,MSCs能躲避NK細胞的殺傷作用,且對初始激活的及IL-15或IL-2誘導的NK細胞的增殖有抑制作用。其躲避能力主要是通過MSCs表面表達MHCⅠ[21],這點提示若提前使用IFN-γ上調 MHCⅠ的表達,便能抑制 NK細胞對MSCs的細胞毒作用。但是MSCs對于已激活的NK細胞不僅作用微弱,反而后者還可以通過受體與配體結合的溶胞途徑清除非自體來源的MSCs[22],活化的NK細胞表達受體DNAM-1、NKp30和NKG2D,MSCs能依次表達相應的配體 nectin-2、ULBP和PVR。

2.4 MSCs對樹突狀細胞(DC)的調節(jié)作用

DC細胞在啟動、調控和維持免疫反應方面有著重要的作用,但是DC細胞必須為成熟狀態(tài)才能起作用,相關數(shù)據(jù)顯示MSCs可影響DC的成熟、分化、增殖、遷移能力和抗原遞呈作用[23],且這種作用主要是通過分泌可溶性因子及細胞間直接接觸來實現(xiàn)的。Zhang等[23]研究發(fā)現(xiàn)MSCs抑制DC的成熟是通過抑制 CD40、CD86、CD83、HLA-DR 和共刺激分子等表達來實現(xiàn)的,另外MSCs可阻礙其遷移到淋巴結刺激T細胞的增殖,從而能誘導免疫耐受;MSCs通過下調 CD40、CD1a、CD86、CD80 的表達抑制單核細胞向DC分化;此外MSCs通過改變細胞因子促使成熟DC轉化為不成熟表型,如TNF-a降低和IL-10升高。不僅如此,MSCs還能改變DC的分泌類型,抑制促炎癥因子IFN-γ、IL-12和TNF-a的分泌,促進抗炎因子IL-10分泌[24]。同時應該看到若去除MSCs而加入DC誘導劑可逆轉這種負調控作用,說明MSCs對DC的作用是可逆的。綜上所述,MSCs發(fā)揮抑制作用的關鍵是誘導成熟的DC表達抑制表型,從而抑制T細胞的活化,同時也說明MSCs通過依賴APC的抑制作用參與免疫調節(jié),DC參與間接抑制機制。

3 問題與展望

綜上所述,MSCs能夠調節(jié)多種免疫細胞,具有重要的免疫調節(jié)作用,具有獨特的醫(yī)學優(yōu)勢,為臨床相關的免疫性疾病及炎癥失調性疾病帶來了希望。但同時也應該看到仍有許多問題亟待解決,如輸注MSCs后,其免疫調節(jié)具體的機制尚不確定,其免疫原性仍有爭議,其安全性也有待驗證。盡管MSCs距離臨床大規(guī)模應用還有相當長的路要走,但是有理由相信在不久的將來這些問題將一一解決,MSCs將另更多的患者受益。

[1]Corcione A,Benvenuto F,Ferretti E,et al.Human mesenchymal stem cells modulate B-cell functions[J].Blood,2006,107(1)：367-372.

[2]Klyushnenkova E,Mosca JD,Zernetkina V,et al.T cell responses to allogeneic human mesenchymal stem cells：immunogenicity,tolerance,and suppression[J].J Biomedical Science,2005,12(1)：47-57.

[3]Krampera M,Glennie S,Dyson J,et al.Bone marrow mesenchymal stem cells inhibit the response of naive and memory antigen-specific T cell to their cognate peptide[J].Blood,2003,101(9)：3722-3729.

[4]Le Blanc K,Tammik C,Rosendahl K,et al.HLA expression and immunologic properties of differentiated and undifferentiated mesenchymal stem cells[J].Experimental Hematology,2003,31(10)：890-896.

[5]Bartholomew A,Sturgeon C,Siatskas M,et al.Mesenchymal stem cells suppress lymphocyte proliferation in vitro and prolong skin graft survival in vivo[J].Experimental Hematology,2002,30(1)：42-48.

[6]Le-Blanc K,Rasmusson I,Gotherstrom C,et al.Mesenchymal stem cells inhibit the expression of CD25(interleukin-2 receptor)and CD38 on phytohaem agglutinin-activated lymphocytes[J].Scandinavian J Immunology,2004,60：307.

[7]Krampera M,Glennie S,Dyson J,et al.Bone marrow mesenchymal stem cells inhibit the response of naive and memory antigen-specific T cells to their cognate peptide[J].Blood,2003,101(9)：3722-3729.

[8]Di Nicola M,Carlo-Stella C,Magni M,et al.Human bone marrow stromal cells suppress T-lymphocyte proliferation induced by cellular or nonspecific mitogenic stimuli[J].Blood,2002,99(10)：3838-3843.

[9]Augello A,Tasso R,Negrini SM,et al.Bone marrow mesenchymal progenitor cells inhibit lymphocyte proliferation by activation of the programmed death 1 pathway[J].European J Immunology,2005,35(5)：1482-1490.

[10]Seung-Ha Y,Min-Jung P,Il-Hee Y,et al.Soluble mediators from mesenchymal stem cells suppress T cell proliferation by inducing IL-10[J].Experimental Molecular Medicine,2009,41(5)：315-324.

[11]DelaRosa O,Lombardo E,Beraza A,et al.Requirement of IFN gamma-mediated indoleamine 2,3-dioxygenase expression in the modulation of lymphocyte proliferation by human adipose-derived stem cells[J].Tissue Eng Part A,2009,15(10)：2795-2806.

[12]Meisel R,Zibert A,Laryea M,et al.Human bone marrow stromal cells inhibit allogeneic T-cell responses by indoleamine 2,3-dioxygenase-mediated tryptophan degradation[J].Blood,2004,103(12)：4619-4621.

[13]Sato K,Ozaki K,Oh l,et al.Nitric oxide plays a critical role in suppression of T-cell proliferation by mesenchymal stem cells[J].Blood,2007,109(1)228-234.

[14]Beyth S,Borovsky Z,Mevorach D,et al.Human mesenchymal stem cells alter antigen-presenting cell maturation and induce T-cell unresponsiveness[J].Blood,2005,105(5)：2214-2219.

[15]Meisel R,Zibert A,Laryea M,et al.Human bone marrow stromal cells inhibit allogeneic T-cell responses by indoleamine 2,3-dioxygenase-mediated tryptophan degradation[J].Blood,2004,103：4619-4621.

[16]Le-Blanc K,Tamik L,Sundberg B,et al.Mesenchymal stem cells inhibit and stimulate mixed lymphocyte cultures and mitogentic repnose independently of major histo compatibility complex[J].Scand J Immuno,2003,57(1)：11-20.

[17]Deng W,Han Q,Liao L,et al.Effects of allogeneic bone marrow-derived mesenchymal stem cells on T and B lymphocytes from BXSB mice[J].DNA Cell Biology,2005,24(7)：458-463.

[18]Corcione A,Benvenuto F,Ferretti E,et al.Human mesenchymal stem cells modulate B-cell functions[J].Blood,2006,107(1)：367-372.

[19]Krampera M,Cosmi L,Angeli R,et al.Role for interferon-gamma in the immunomodulatory activity of human bone marrow mesenchymal stem cells[J].Stem Cells,2006,24：386-398.

[20]Sotiropoulou PA,Perez SA,Gritzapis AD,et al.Interactions between human mesenchymal stem cells and natural killer cells[J].Stem Cells(Dayton,ohio),2006,24(1)：74-85.

[21]Spaggiari GM,Capobianco A,Abdelrazik H,et al.Mesenchymal stem cells inhibit natural killer-cell proliferation,cytotoxicity,and cytokine production：role of indoleamine 2,3-dioxygenase and prostaglandin E2[J].Blood,2008,111(3)：1327-1333.

[22]Spaggiari GM,Capobianco A,Becchetti S,et al.Mesenchymal stem cell-natural killer cell interactions：evidence that activated NK cells are capable of killing MSCs,whereas MSCs can inhibit IL-2-induced NK-cell proliferation[J].Blood,2006,107(4)：1484-1490.

[23]Zhang W,Ge W,Li C,et al.Effects of mesenchymal stem cells on differentiation,maturation,and function of human monocyte-derived dendritic cells[J].Stem Cells Development,2004,13(3)：263-271.

[24]Aggarwal S,Pittenger MF.Human mesenchymal stem cells modulate allogeneic immune cell responses[J].Blood,2005,105(4)：1815-1822.