Hedgehog信号通路在多能间充质干细胞分化中的作用!

多能间充质干细胞（MSC）具有很强的自我更新和多谱系分化潜能以及较低的免疫原性，因此在再生医学领域备受关注，具有良好的临床应用前景。

近年来，研究发现要设计用于替代受损组织的细胞疗法，必须了解对MSC分化有重大影响的信号通路，因为这将有助于整合信号输入以启动特定谱系。Hedgehog（Hh）信号在胚胎中各种组织和器官的发育中起着至关重要的作用。作为一种形态发生素，Hh不仅调节组织祖细胞和干细胞群的存活和增殖，而且是MSC分化的关键调节剂，涉及MSC的三谱系和跨胚层分化。

本综述就Hh信号通路在间充质干细胞向中胚层、内胚层和外胚层细胞分化中的作用进行综述。

了解什么是多能间充质干细胞，以及它的特性及临床应用

多能间充质干细胞 (MSC) 是成体干细胞的一种，可从体内多种组织中分离，例如骨髓、脂肪组织、外周血、脐带组织、华通氏胶、羊水、牙龈、牙髓和胎盘组织。

由于MSC具有自我更新、多谱系分化和免疫调节能力，在再生医学和炎症性疾病的应用方面具有巨大潜力。根据所提供的诱导信号和MSCs所处的微环境，它们不仅可以分化为中胚层谱系（如脂肪细胞、软骨细胞、成骨细胞和肌细胞），还可以分化为外胚层谱系（如上皮细胞和神经细胞）和内胚层谱系（如肝细胞、胰岛细胞和肺上皮细胞），尽管MSCs起源于中胚层（图1）。

与MSC相比，多能干细胞（PSC），包括人类胚胎干细胞（hESC）和诱导性多能干细胞（iPSC），具有广泛的分化潜力，理论上可以分化成体内的任何细胞类型。因此，MSCs是一种很有前途的干细胞来源，可用于各种再生医学目的，并且已成为临床实践中应用最广泛的干细胞类型。

除了再生特性外，MSC还显示出免疫调节的潜力。它们参与先天性和适应性免疫调节并已被证明能抑制T细胞、B细胞和自然杀伤 (NK) 细胞的活化和增殖，以及抗原呈递细胞 (APC) 的迁移和成熟。因此，MSC还被用于治疗急性、慢性和严重的免疫疾病，如自身免疫性疾病 、急性肺损伤(ALI) 、慢性移植物抗宿主病 (GVHD) 以及组织和器官移植中的排斥反应。这些研究表明，MSCs可以通过分泌细胞因子和与受损组织微环境相互作用来调节机体的免疫功能并减轻炎症。

此外，MSCs还具有多向分化潜能，可用于替换或修复受损或患病的细胞和组织，是再生医学的理想材料。事实上，MSCs通过多种治疗机制的应用（图2）已在治疗多种疾病方面显示出巨大的潜力，包括免疫和自身免疫疾病（多发性硬化症）、心脏病、糖尿病、神经系统疾病（阿尔茨海默病、帕金森病、脊髓损伤、中风和创伤性脑损伤）、肌肉骨骼损伤、各种皮肤病（烧伤、伤口和溃疡）以及骨、软骨和关节相关疾病。大量研究表明MSCs可以改善组织器官功能，降低死亡风险。

总体而言，MSCs已被证明对许多临床疾病具有良好的耐受性、安全性和显著的治疗效果，导致一些国家批准其使用。目前，临床试验中涉及各种来源的MSCs的研究超过900项，而且这个数字还在不断增加。因此，MSCs已成为再生受损组织细胞最有希望的来源之一，其未来临床应用的潜力巨大。

为什么Hh是介导间充质干细胞分化的重要信号通路

Hh信号通路被认为是介导MSCs分化的重要信号通路，原因如下：

1. 多谱系分化潜力：Hh信号通路在胚胎中各种组织和器官的发育中起着至关重要的作用。作为一种形态发生素，Hh不仅调节组织祖细胞和干细胞群的存活和增殖，而且还是MSC分化的关键调节剂，涉及MSC的三谱系和跨胚胎层分化。

2. 胚胎发育中的作用：Hh信号通路在细胞分化、组织与器官发育中扮演着重要的角色，主要由3种分泌型糖蛋白配体Shh、Ihh和Dhh，两个跨膜蛋白受体Ptch1、Smo，3个核转录因子Gli1、Gli2、Gli3及下游的靶基因等组成。在Shh存在的情况下，Shh与Ptch1结合，解除了Ptch1对Smo的抑制，Smo进入细胞内，使Gli1和Gli2入核激活下游靶基因的表达。

3. 在肺发育中的作用：Hh信号通路在肺发育过程中的信号通路主要有Wingless/Integrated(WNT),转化生长因子-β,SonicHedgehog(SHH)信号通路等。SHH则在肺芽远端上皮表达，它诱导胎肺成纤维质细胞的增殖，参与调控胚胎细支气管的形成及细化。

4. 在胰腺β细胞分化中的作用：Hh信号通路在胚胎肠道内胚层向胰腺β细胞分化中起着重要作用。研究表明，尽管在胰腺器官形成的早期阶段，Hh信号传导已显示抑制组织形态形成和细胞分化，但它对于胰腺β细胞成熟后期SHh通路的重新激活非常重要，特别是在维持由MSCs分化的胰岛素分泌细胞（IPC）的胰岛素分泌功能方面。

5. 与Pdx1的协同作用：胰腺和十二指肠同源框1（Pdx1）是胰腺发育和胰岛素调节的关键基因，是β细胞成熟和维持β细胞功能所必需的。Pdx1的启动子含有Hh反应元件，因此SHh会影响Pdx1的表达，从而诱导成熟胰腺β细胞的胰岛素表达和分泌。

6. 在成骨分化中的作用：Hh信号通路可通过激活下游关键分子Smoothened（Smo）及Gli1促进BMSCs成骨分化，并可通过IGF激活mTORC2-Akt信号产生类似作用。

综上所述，Hedgehog（Hh）信号通路参与调控细胞增殖、迁移和分化。大量研究证实，Hh信号通路在MSCs体外向三胚层谱系细胞分化过程中以及在受损组织微环境中起着至关重要的作用。因此，在研究受损组织细胞的替代疗法时，深入了解这一对MSCs分化有重要影响的信号通路至关重要，从而有助于医学领域，特别是在再生医学和组织工程领域开发新的治疗方法。

Hh通路在多谱系分化中的作用

研究证实，Hh信号在控制干细胞或祖细胞的增殖和分化中起着至关重要的作用 。因此，Hh信号通路对于MSCs的正确分化和维持干细胞稳态至关重要。

研究表明，该通路在MSCs分化为各种细胞类型中起关键作用，调节参与MSCs分化的各种基因的表达，并决定细胞分化为不同的细胞谱系，例如中胚层细胞（成骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞和肌细胞）内胚层细胞（肝细胞胰腺β细胞 [β细胞]和肺上皮细胞）和外胚层细胞（神经胶质细胞、内皮细胞）。

01Hh在间充质干细胞中胚层分化中的作用

Hh信号通路调控MSCs的软骨发生分化

Hh信号通路在MSCs的软骨形成分化和体内软骨发育中起重要作用。IHh和SHh在微重力环境下诱导软骨形成和软骨形成有协同作用，促进软骨基质的形成。

Hh信号通路调控MSCs的脂肪形成分化

Hedgehog（Hh）信号通路在间充质干细胞（MSCs）的脂肪形成分化中起着重要的调控作用。以下是Hh信号通路调控MSCs脂肪形成分化的关键点：

• 抑制脂肪细胞分化：研究表明，激活Hh信号通路能够抑制猪脂肪源性间充质干细胞（ADSCs）向脂肪细胞的分化。在ADSCs中，Hh信号通路的激活通过减少Gli1mRNA和蛋白的表达水平，降低脂肪细胞的数量和甘油三酯含量，抑制脂肪生成过程中的关键转录因子C/EBPα和PPARγ，从而抑制脂肪细胞的分化。
• Leptin的作用：Leptin通过激活Hh信号通路抑制脂肪生成，减少前脂肪细胞存活率，促进脂肪细胞凋亡，并抑制脂肪合成相关酶的表达，促进脂肪分解相关酶的表达，从而抑制脂肪合成，促进脂肪分解。
• Hh信号通路的抑制作用：在脂肪细胞分化过程中，Hh信号通路逐渐受到抑制，而leptin对Hh信号通路具有激活作用，尤其是在脂肪细胞分化的中后期。Hh信号通路的激活和leptin共同作用抑制脂肪生成转录因子PPARγ和C/EBPα的表达，抑制脂肪细胞特异分子的表达，促进抗脂肪生成转录因子的表达，从而抑制脂肪生成。
• Hh信号通路在脂肪细胞发育中的作用：Hh信号通路在脂肪细胞的发育过程中起到抑制作用，特别是在脂肪细胞分化阶段。在脂肪细胞分化过程中，Hh信号通路的激活抑制了脂肪细胞的数量，减少了调控脂肪分化的重要蛋白C/EBPα、PPARγ的表达，以及白色脂肪标记蛋白Leptin、aP2的表达量。

综上所述，Hh信号通路通过多种机制调节MSCs的脂肪形成分化，主要表现为抑制脂肪细胞的分化和成熟，这些发现对于理解脂肪形成调控方式和开发治疗肥胖等相关疾病的新策略具有重要意义。

02Hh在MSCs外胚层分化中的作用

MSCs的神经元分化

除了具有中胚层三系分化潜能之外，MSC还具有跨胚胎层分化为外胚层细胞谱系的能力，例如神经细胞和肺上皮细胞。MSC向神经细胞的分化是一个复杂的过程，受多种因素调控，包括转录因子、生长因子和信号分子。该过程中最重要的信号分子之一是SHh。以下是SHh信号通路在MSCs外胚层分化和神经元分化中的作用：

• SHh在神经细胞分化中的关键作用：SHh是一种分泌蛋白，参与神经系统的发育和维持，在MSCs分化为神经元中起着关键作用。SHh信号可调控神经干细胞增殖分化，促进神经前体细胞分化、神经元再生，引导神经元自我修复。
• SHh信号与神经退行性疾病：神经元进行性丢失和退化，以及神经前体细胞产生新神经元不足是多种神经退行性疾病的共同病理特征。SHh信号在阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿病(HD)中参与神经元分化与再生的作用机制，探讨有效激活Shh信号促进神经元分化与再生的可能途径。
• SHh信号促进MSCs向神经元分化：研究表明，SHh通过上调转录因子（例如神经原素-2 (Ngn2)、NeuroD1和Olig2）的表达，以及下调多能性维持转录因子Sox2和Oct4的表达，来促进MSCs分化为神经元的生物过程。
• SHh信号通路激动剂PMA的作用：PMA作为SHh信号通路激动剂，可以通过直接增强SMO受体活化来促进神经元分化。另有研究表明，PMA在聚己内酯(PCL)支架上培养时能促进MSCs向运动神经元样细胞分化。
• SHh信号通路在神经细胞分化中的调控机制：SHh信号通路的激活不仅能上调MSCs碱性成纤维细胞生长因子和血管内皮生长因子的表达和分泌，而且还能通过上调SHh通路下游基因产物，如BDNF、NT-3和GDNF，介导其向神经元的分化。

综上所述，Hh信号通路在MSCs的外胚层分化，尤其是向神经细胞的分化中起着至关重要的作用，为神经退行性疾病的治疗提供了新的策略和方法。03Hh在MSCs内胚层分化中的作用

MSCs除了具有向中胚层细胞系分化的潜能外，还具有向内胚层细胞系（如肺上皮细胞、胰腺细胞和肝细胞）分化的潜能。Hh通路在MSCs向内胚层分化过程中起着重要作用。

MSCs向肺上皮细胞的分化

间充质干细胞（MSCs）向肺上皮细胞的分化是治疗肺部疾病，尤其是急性肺损伤（ALI）、急性呼吸窘迫综合征（ARDS）和慢性阻塞性肺病（COPD）等严重肺部疾病的一种潜在策略。以下是关于MSCs向肺上皮细胞分化的一些关键点：

ALI/ARDS的发病机制主要是由于机体免疫反应失衡，导致过度炎症造成肺泡上皮和内皮细胞弥漫性损伤引起的严重急性缺氧性呼吸衰竭，其特征是肺顺应性下降、通透性增加导致肺水肿，常常发展为多器官衰竭和肺纤维化。

越来越多的数据支持MSCs在肺部疾病治疗中的潜力和应用前景。目前，I期和II期临床试验已经积累了证实这些细胞的安全性和耐受性的证据。基于MSC治疗所展示的抗菌、抗炎、再生、血管生成、抗纤维化、抗氧化应激和抗凋亡作用，这些作用可以阻断ALI/ARDS的病理生理机制。

• Wnt/β-catenin信号通路的作用：Wnt/β-catenin信号通路在MSCs向肺上皮细胞分化中起着关键作用。研究表明，激活Wnt/β-catenin信号通路可以促进MSCs向肺泡上皮II型（AT II）细胞分化这种分化对于肺泡上皮的修复和再生至关重要。
• MSCs的归巢和分化：MSCs能够归巢到受损的肺部，并在Wnt信号通路的介导下分化为II型肺泡上皮细胞（AEC II），参与肺泡上皮的更新。这种归巢和分化能力使得MSCs成为治疗肺部疾病的一种有前景的细胞来源。

MSCs通过旁分泌功能分泌多种类型的细胞因子或直接与免疫细胞和肺上皮细胞（I型和II型）相互作用，调节免疫反应，修复肺损伤，提示MSCs与肺微环境的相互作用对肺部疾病具有更广泛的治疗作用。

MSCs的胰腺细胞分化

MSCs是治疗I型和II型糖尿病的一种细胞治疗方法。特别是，移植人工胰岛素分泌细胞 (IPC) 是一种实用的方法，在治疗I型糖尿病方面具有永久性的效果。大量研究表明，MSCs可以成功分化为功能性胰岛细胞。在分化为IPC方面，MSCs可以从多种来源获得，其中骨髓和脂肪组织MSCs是研究最广泛的细胞。

在人类中，Hh通路在胚胎肠道内胚层向胰腺β细胞分化中起着重要作用。研究表明，尽管在胰腺器官形成的早期阶段，Hh信号传导已显示抑制组织形态形成和细胞分化，但它对于胰腺β细胞成熟后期SHh通路的重新激活非常重要，特别是在维持由MSCs分化的IPC的胰岛素分泌功能方面。因此，操纵SHh信号通路可作为改善MSCs生成功能性IPC的可靠方法。

MSCs向肝细胞的分化

肝病是全球第11大致死原因。无论疾病的潜在病因如何，患者在疾病的后期都会出现类似的肝功能障碍。

目前，只有肝移植对晚期疾病有治愈作用，但供肝有限。利用MSCs制造的肝细胞样细胞治疗肝病是晚期肝病患者的有希望的策略，使得MSCs具有重要的研究价值和在肝病中广阔的应用前景。由于MSCs具有通过分化为肝细胞、抑制炎症因子的释放、增强肝内细胞的增殖来促进肝脏再生、减轻肝脏损伤的能力，因此基于MSCs的治疗已成为促进肝脏再生、修复肝脏损伤的重点。

有研究报道MSCs能促进肝脏再生，其机制为：MSCs中miRNA-125b表达水平显著升高，导致Smo降低，Hh信号抑制，从而减轻纤维化，最终促进肝脏再生。

未来展望

细胞治疗的目的是通过恢复适合组织修复和再生的细胞和分子环境来替换受损的驻留细胞。虽然MSC的作用机制主要与其分泌蛋白组（包括趋化因子、细胞因子、生长因子和核酸）有关，但细胞直接分化为功能性靶细胞可以更好、更快地促进受损组织的再生和修复。尽管如此，分化效率低限制了MSC在临床疾病治疗中的应用。优化MSC的定向分化潜能可能是显著提高MSC治疗效果的重要策略之一。

更重要的是，对MSC的观察表明，当暴露于特定的生长因子和底物混合物时，它们能够转分化为不同形式的中胚层、外胚层和内胚层细胞。这些经过体外定向分化诱导的靶细胞可以作为组织工程的种子细胞，更有利于受损组织的再生和修复。

• 信号通路对MSCs分化影响巨大，需要进一步研究其在治疗技术中的应用。
• Hh信号通路的调控是引导MSCs定向分化的重要机制，如Hh信号调控MSCs的成骨和软骨分化，有望用于治疗骨质疏松和软骨发育不良等。

因此，在MSCs分化过程中合理调控Hh信号通路的表达，可最大程度发挥其对损伤组织和疾病的治疗作用，发展和优化再生医学和组织工程中安全有效的治疗策略。

参考资料：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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