多能間充質干細胞（MSC）具有很強的自我更新和多譜系分化潛能以及較低的免疫原性，因此在再生醫學領域備受關注，具有良好的臨床應用前景。

近年來，研究發現要設計用于替代受損組織的細胞療法，必須了解對MSC分化有重大影響的信號通路，因為這將有助于整合信號輸入以啟動特定譜系。Hedgehog（Hh）信號在胚胎中各種組織和器官的發育中起著至關重要的作用。作為一種形態發生素，Hh不僅調節組織祖細胞和干細胞群的存活和增殖，而且是MSC分化的關鍵調節劑，涉及MSC的三譜系和跨胚層分化。

本綜述就Hh信號通路在間充質干細胞向中胚層、內胚層和外胚層細胞分化中的作用進行綜述。

了解什么是多能間充質干細胞，以及它的特性及臨床應用

多能間充質干細胞 (MSC) 是成體干細胞的一種，可從體內多種組織中分離，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節能力，在再生醫學和炎癥性疾病的應用方面具有巨大潛力。根據所提供的誘導信號和MSCs所處的微環境，它們不僅可以分化為中胚層譜系（如脂肪細胞、軟骨細胞、成骨細胞和肌細胞），還可以分化為外胚層譜系（如上皮細胞和神經細胞）和內胚層譜系（如肝細胞、胰島細胞和肺上皮細胞），盡管MSCs起源于中胚層（圖1）。

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

除了再生特性外，MSC還顯示出免疫調節的潛力。它們參與先天性和適應性免疫調節并已被證明能抑制T細胞、B細胞和自然殺傷 (NK) 細胞的活化和增殖，以及抗原呈遞細胞 (APC) 的遷移和成熟。因此，MSC還被用于治療急性、慢性和嚴重的免疫疾病，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。這些研究表明，MSCs可以通過分泌細胞因子和與受損組織微環境相互作用來調節機體的免疫功能并減輕炎癥。

此外，MSCs還具有多向分化潛能，可用于替換或修復受損或患病的細胞和組織，是再生醫學的理想材料。事實上，MSCs通過多種治療機制的應用（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病（多發性硬化癥）、心臟病、糖尿病、神經系統疾病（阿爾茨海默病、帕金森病、脊髓損傷、中風和創傷性腦損傷）、肌肉骨骼損傷、各種皮膚病（燒傷、傷口和潰瘍）以及骨、軟骨和關節相關疾病。大量研究表明MSCs可以改善組織器官功能，降低死亡風險。

總體而言，MSCs已被證明對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，導致一些國家批準其使用。目前，臨床試驗中涉及各種來源的MSCs的研究超過900項，而且這個數字還在不斷增加。因此，MSCs已成為再生受損組織細胞最有希望的來源之一，其未來臨床應用的潛力巨大。

為什么Hh是介導間充質干細胞分化的重要信號通路

Hh信號通路被認為是介導MSCs分化的重要信號通路，原因如下：

1. 多譜系分化潛力：Hh信號通路在胚胎中各種組織和器官的發育中起著至關重要的作用。作為一種形態發生素，Hh不僅調節組織祖細胞和干細胞群的存活和增殖，而且還是MSC分化的關鍵調節劑，涉及MSC的三譜系和跨胚胎層分化。

2. 胚胎發育中的作用：Hh信號通路在細胞分化、組織與器官發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，兩個跨膜蛋白受體Ptch1、Smo，3個核轉錄因子Gli1、Gli2、Gli3及下游的靶基因等組成。在Shh存在的情況下，Shh與Ptch1結合，解除了Ptch1對Smo的抑制，Smo進入細胞內，使Gli1和Gli2入核激活下游靶基因的表達。

3. 在肺發育中的作用：Hh信號通路在肺發育過程中的信號通路主要有Wingless/Integrated(WNT),轉化生長因子-β,SonicHedgehog(SHH)信號通路等。SHH則在肺芽遠端上皮表達，它誘導胎肺成纖維質細胞的增殖，參與調控胚胎細支氣管的形成及細化。

4. 在胰腺β細胞分化中的作用：Hh信號通路在胚胎腸道內胚層向胰腺β細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信號傳導已顯示抑制組織形態形成和細胞分化，但它對于胰腺β細胞成熟后期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胞（IPC）的胰島素分泌功能方面。

5. 與Pdx1的協同作用：胰腺和十二指腸同源框1（Pdx1）是胰腺發育和胰島素調節的關鍵基因，是β細胞成熟和維持β細胞功能所必需的。Pdx1的啟動子含有Hh反應元件，因此SHh會影響Pdx1的表達，從而誘導成熟胰腺β細胞的胰島素表達和分泌。

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

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

Hh通路在多譜系分化中的作用

研究證實，Hh信號在控制干細胞或祖細胞的增殖和分化中起著至關重要的作用 。因此，Hh信號通路對于MSCs的正確分化和維持干細胞穩態至關重要。

研究表明，該通路在MSCs分化為各種細胞類型中起關鍵作用，調節參與MSCs分化的各種基因的表達，并決定細胞分化為不同的細胞譜系，例如中胚層細胞（成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞和肌細胞）內胚層細胞（肝細胞胰腺β細胞 [β細胞]和肺上皮細胞）和外胚層細胞（神經膠質細胞、內皮細胞）。

01Hh在間充質干細胞中胚層分化中的作用

Hh信號通路調控MSCs的軟骨發生分化

Hh信號通路在MSCs的軟骨形成分化和體內軟骨發育中起重要作用。IHh和SHh在微重力環境下誘導軟骨形成和軟骨形成有協同作用，促進軟骨基質的形成。

Hh信號通路調控MSCs的脂肪形成分化

Hedgehog（Hh）信號通路在間充質干細胞（MSCs）的脂肪形成分化中起著重要的調控作用。以下是Hh信號通路調控MSCs脂肪形成分化的關鍵點：

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

綜上所述，Hh信號通路通過多種機制調節MSCs的脂肪形成分化，主要表現為抑制脂肪細胞的分化和成熟，這些發現對于理解脂肪形成調控方式和開發治療肥胖等相關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胞譜系的能力，例如神經細胞和肺上皮細胞。MSC向神經細胞的分化是一個復雜的過程，受多種因素調控，包括轉錄因子、生長因子和信號分子。該過程中最重要的信號分子之一是SHh。以下是SHh信號通路在MSCs外胚層分化和神經元分化中的作用：

• SHh在神經細胞分化中的關鍵作用：SHh是一種分泌蛋白，參與神經系統的發育和維持，在MSCs分化為神經元中起著關鍵作用。SHh信號可調控神經干細胞增殖分化，促進神經前體細胞分化、神經元再生，引導神經元自我修復。
• SHh信號與神經退行性疾病：神經元進行性丟失和退化，以及神經前體細胞產生新神經元不足是多種神經退行性疾病的共同病理特征。SHh信號在阿爾茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷頓病(HD)中參與神經元分化與再生的作用機制，探討有效激活Shh信號促進神經元分化與再生的可能途徑。
• SHh信號促進MSCs向神經元分化：研究表明，SHh通過上調轉錄因子（例如神經原素-2 (Ngn2)、NeuroD1和Olig2）的表達，以及下調多能性維持轉錄因子Sox2和Oct4的表達，來促進MSCs分化為神經元的生物過程。
• SHh信號通路激動劑PMA的作用：PMA作為SHh信號通路激動劑，可以通過直接增強SMO受體活化來促進神經元分化。另有研究表明，PMA在聚己內酯(PCL)支架上培養時能促進MSCs向運動神經元樣細胞分化。
• SHh信號通路在神經細胞分化中的調控機制：SHh信號通路的激活不僅能上調MSCs堿性成纖維細胞生長因子和血管內皮生長因子的表達和分泌，而且還能通過上調SHh通路下游基因產物，如BDNF、NT-3和GDNF，介導其向神經元的分化。

綜上所述，Hh信號通路在MSCs的外胚層分化，尤其是向神經細胞的分化中起著至關重要的作用，為神經退行性疾病的治療提供了新的策略和方法。03Hh在MSCs內胚層分化中的作用

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

MSCs向肺上皮細胞的分化

間充質干細胞（MSCs）向肺上皮細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）等嚴重肺部疾病的一種潛在策略。以下是關于MSCs向肺上皮細胞分化的一些關鍵點：

ALI/ARDS的發病機制主要是由于機體免疫反應失衡，導致過度炎癥造成肺泡上皮和內皮細胞彌漫性損傷引起的嚴重急性缺氧性呼吸衰竭，其特征是肺順應性下降、通透性增加導致肺水腫，常常發展為多器官衰竭和肺纖維化。

越來越多的數據支持MSCs在肺部疾病治療中的潛力和應用前景。目前，I期和II期臨床試驗已經積累了證實這些細胞的安全性和耐受性的證據。基于MSC治療所展示的抗菌、抗炎、再生、血管生成、抗纖維化、抗氧化應激和抗凋亡作用，這些作用可以阻斷ALI/ARDS的病理生理機制。

• Wnt/β-catenin信號通路的作用：Wnt/β-catenin信號通路在MSCs向肺上皮細胞分化中起著關鍵作用。研究表明，激活Wnt/β-catenin信號通路可以促進MSCs向肺泡上皮II型（AT II）細胞分化這種分化對于肺泡上皮的修復和再生至關重要。
• MSCs的歸巢和分化：MSCs能夠歸巢到受損的肺部，并在Wnt信號通路的介導下分化為II型肺泡上皮細胞（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胞來源。

MSCs通過旁分泌功能分泌多種類型的細胞因子或直接與免疫細胞和肺上皮細胞（I型和II型）相互作用，調節免疫反應，修復肺損傷，提示MSCs與肺微環境的相互作用對肺部疾病具有更廣泛的治療作用。

MSCs的胰腺細胞分化

MSCs是治療I型和II型糖尿病的一種細胞治療方法。特別是，移植人工胰島素分泌細胞 (IPC) 是一種實用的方法，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是研究最廣泛的細胞。

在人類中，Hh通路在胚胎腸道內胚層向胰腺β細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信號傳導已顯示抑制組織形態形成和細胞分化，但它對于胰腺β細胞成熟后期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信號通路可作為改善MSCs生成功能性IPC的可靠方法。

MSCs向肝細胞的分化

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出現類似的肝功能障礙。

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

有研究報道MSCs能促進肝臟再生，其機制為：MSCs中miRNA-125b表達水平顯著升高，導致Smo降低，Hh信號抑制，從而減輕纖維化，最終促進肝臟再生。

未來展望

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

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

• 信號通路對MSCs分化影響巨大，需要進一步研究其在治療技術中的應用。
• Hh信號通路的調控是引導MSCs定向分化的重要機制，如Hh信號調控MSCs的成骨和軟骨分化，有望用于治療骨質疏松和軟骨發育不良等。

因此，在MSCs分化過程中合理調控Hh信號通路的表達，可最大程度發揮其對損傷組織和疾病的治療作用，發展和優化再生醫學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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