引用本文： 孫東, 宋紅麗, 沈中陽. 血紅素加氧酶 1 修飾 MSCs 的相關研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2019, 33(7): 901-906. doi: 10.7507/1002-1892.201812079 復制
MSCs 是一種具有自我復制能力、多向分化潛能的干細胞。MSCs 來源于骨髓內容物、臍帶、脂肪組織、羊水、胎盤等，特異性陽性表達 CD73、CD90、CD105 等標記，同時陰性表達 CD14、CD34、CD45、CD11b、CD79-α、CD19 及 HLA-DR 等表面分子，經誘導可以分化為成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞等[1-2]。再生醫學研究表明，MSCs 具有趨向于受傷部位進行組織修復、傷口愈合、免疫調節的功能，同時具有免疫豁免的特權，即在體內可以調節免疫系統的功能但很少引起免疫排斥，且在體內基本不會致畸、致瘤，因此普遍認為 MSCs 是臨床干細胞治療最有前景的細胞工具之一[3]。目前臨床應用 MSCs 移植仍面臨許多亟待解決的問題，比如體外培養方案與效率的差異，細胞移植后有限的存活能力，難以掌控的分化方向，不確定的細胞結局等問題，很大程度上限制了 MSCs 的應用前景[3-4]。因此，根據臨床醫學的需求對 MSCs 進行有目的的修飾，以改善 MSCs 的活性、存活能力，增強其對組織器官的修復功能，成為當前該領域的研究熱點。血紅素加氧酶 1（Heme oxygenase 1，HO-1）是 HMOX1 基因編碼的，調控血紅素降解過程的關鍵限速酶，在機體內具有抗炎、細胞保護及誘導耐受等功能[5]。通過上調 MSCs 內 HO-1 的表達，可以增強 MSCs 耐受應激、增殖、免疫調控等功能，優化其發揮器官功能修復的效果。我們對 HO-1 基因修飾 MSCs 的相關研究及作用機制進行綜述，以期更深地理解與認識干細胞修復作用，為實現理想的干細胞臨床應用提供基礎研究證據與理論支持。
1 HO-1 分子功能概述
HO-1 是由 288 個氨基酸殘基組成的蛋白質，其活躍位點位于前兩個 α-螺旋之間，可以將血紅素降解為膽綠素/膽紅素、一氧化氮、一氧化碳、游離鐵/鐵蛋白等[6]。HO-1 在哺乳動物多種組織中均有一定量表達，在發生紅細胞或血紅蛋白被巨噬細胞降解的細胞、組織或器官（如骨髓、脾臟、肝臟等）中顯著升高。HO-1 的表達水平受到其底物（血紅素）的誘導或其他物理和化學刺激，包括氧化應激、病原體相關分子模式和細胞因子等因素的調控[7]。
病理作用下 HO-1 參與機體內多種應激損傷與修復過程。急性顱內出血時釋放的大量血紅素可促進核因子 2（nuclear factor 2，Nrf2）入核，HO-1 表達水平上調，可通過其產物膽紅素和一氧化碳發揮抗炎、抗氧化應激的作用，還可以直接阻滯核轉錄因子 NF-κB 通路，從而發揮保護神經元的功能[8]。在缺血性梗死的心肌組織中，HO-1 可拮抗單核細胞和巨噬細胞的活性并限制其在心肌組織中的浸潤，促進心肌的缺血后修復過程，挽救心肌功能[9]。HO-1 還可通過恢復線粒體自噬避免線粒體功能失衡，減弱慢性阻塞性肺疾病患者成纖維細胞的老化，提供了新的慢性阻塞性肺疾病治療靶點[10]。其免疫調控的特征可能與腸道腫瘤密切相關，HO-1 表達量升高的結直腸癌患者往往伴有較低的腫瘤學分期及較好的生存預后[11]，證實了 HO-1 具有強大的細胞保護及免疫調控功能。
2 HO-1 修飾對 MSCs 的影響
MSCs 移植入體內后不可避免地面臨嚴峻的應激環境。氧化應激、無血清饑餓、缺氧等一系列負面因素造成的氧化應激和促凋亡因子的大量釋放，是 MSCs 移植入體內后大量凋亡、壞死的主要原因[12]。HO-1 具有抗凋亡及抗氧化應激的能力，這也是對 MSCs 進行 HO-1 修飾的初衷。研究證實，HO-1 修飾 MSCs 顯著提高了細胞的生存能力[13]。進一步研究還發現[14]，HO-1 可以增強 MSCs 的多項生物學功能，取得更為理想的作用效果。
2.1 HO-1 修飾 MSCs 的安全性
調控 MSCs 中 HO-1 表達水平首先應考慮其安全性。天然 MSCs 是否表達 HO-1 目前仍有爭議。盡管 Patel 等[15]研究認為 BMSCs 不能表達可檢測水平的 HO-1，且部分炎性細胞因子無法誘導 HO-1 的從頭合成過程，但普遍觀點仍然認為 MSCs 能夠表達生理水平的 HO-1，維持 MSCs 的生存與增殖。在體內條件下，HO-1 受到氧化應激后迅速誘導表達上調，幫助細胞耐受應激損傷；應激結束后 HO-1 可迅速下調恢復至生理水平，持續的高水平表達則是對細胞的一種損傷[16]。
常用的過表達 HO-1 方案包括化學刺激、質粒轉染、慢病毒轉染、腺病毒轉染等。原卟啉鈷是最常用的誘導細胞上調 HO-1 表達水平的化學刺激因素，原卟啉鋅 9 與原卟啉錫是最常用的 HO-1 的化學抑制因素[17]。質粒、病毒均是通過將基因序列導入 MSCs，以在細胞內翻譯表達的形式。Hamedi-Asl 等[18]推薦使用腺病毒載體進行 HO-1 轉染，認為其優勢在于操作的簡便性、高效性以及瞬時性。腺病毒轉染 HO-1 的 MSCs 在短時間內顯著上調 HO-1 表達，同時又可以快速恢復至基礎生理水平，且不會改變 MSCs 的分子特征及分化能力。高效的基因傳遞效率及相對安全性表明腺病毒是一種理想的修飾 MSCs 過表達 HO-1 的工具。
2.2 HO-1 修飾對 MSCs 存活能力的影響
經 HO-1 修飾后，MSCs 的抗氧化損傷能力及抗凋亡能力顯著提高。Cremers 等[14]研究證明 HO-1 過表達后，通過增加血紅素分解產生的代謝產物水平，使 MSCs 抵抗過氧化氫造成氧化損傷的能力顯著增加。Yu 等[19]研究表明 HO-1 通過細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases 1/2，ERK1/2）通路減少細胞內活性氧的表達水平，同時上調 IL-10 的表達，減少了大量血細胞破裂引起鐵負荷過載對 MSCs 的損傷。Tang 等[20]將 HO-1 修飾后的 MSCs 移植入缺血缺氧的小鼠心肌中，其存活率較天然 MSCs 顯著提高（第 7 天時分別為 18.3%±4.0% 和 3.6%±1.9%）。
HO-1 修飾 MSCs 存活能力的研究具有重要價值。例如，經過凍融過程后，HO-1 修飾的脂肪來源干細胞（adipose-derived mesenchymal stem cells，ADSCs）活力明顯強于天然 ADSCs，這或許為解決 MSCs 冰凍存儲后活力減弱問題提供了新的思路，有利于其臨床應用。Pan 等[21]的研究表明，沉默信息調節因子 6-Nrf2-HO-1 軸調控著 MSCs 生長過程中細胞衰老、轉化代謝失調等多種生物學行為，對該調控軸的進一步研究有望加深對干細胞甚至人體衰老領域的理解。
2.3 HO-1 調節 MSCs 的成脂、成骨分化
MSCs 具有分化為脂肪細胞及成骨細胞的能力，HO-1 在此過程中發揮著重要的調控作用[22]。HO-1 可以抑制 MSCs 向脂肪方向分化，同時促進 MSCs 向成骨方向分化。Barbagallo 等[23]首次證實 HO-1 可以磷酸化腺苷酸激活蛋白激酶及內皮一氧化氮合酶，并上調成骨細胞標記物（骨橋蛋白、骨鈣蛋白、ALP 等）表達，促進 MSCs 向成骨方向分化及骨質沉積。同時，HO-1 與體內高葡萄糖水平互相拮抗，共同影響著 MSCs 向脂肪方向分化的能力[24]。HO-1 影響 MSCs 成脂、成骨方向分化的過程涉及多條信號通路的調控，如絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路、ERK1/2 通路、磷脂酰肌醇 3-激酶/蛋白激酶 B 通路、過氧化物酶體增殖物激活受體 γ 通路等[24-26]。該機制的相關研究對于臨床治療骨質疏松癥、骨質缺損及肥胖、2 型糖尿病、代謝綜合征具有十分重要的意義。
2.4 HO-1 修飾對 MSCs 免疫調節作用的影響
MSCs 的免疫調節功能是其成為理想工具細胞的主要原因之一。研究表明，與天然 MSCs 相比，HO-1 修飾后的 MSCs 具有更強的免疫調節功能，其機制主要有：① 存活能力更強；② 促進抗炎因子及抑制炎性因子釋放的能力更強；③ 更強的抑制 T 淋巴細胞增殖、活化功能；④ 提高調節性 T 細胞（regulatory T cell，Treg）所占比例；⑤ 抑制自然殺傷細胞活性[27-28]。這也是對 MSCs 進行 HO-1 過表達修飾的相關研究備受矚目的原因之一。
3 HO-1 修飾 MSCs 在各系統疾病中的研究
MSCs 是干細胞治療的理想工具細胞，但目前仍存在諸多限制。基于上述討論，組織工程學者及干細胞學者對 HO-1 修飾的 MSCs 在各臨床領域及各系統疾病模型中的作用機制進行了一系列研究，取得了一定進展。
3.1 HO-1 修飾的 MSCs 在心肌梗死中的保護及修復作用
MSCs 對心肌梗死后的修復功能已得到大量研究證實，然而植入的 MSCs 在梗死心肌中的存活率（<5%）很難令人滿意。其原因包括梗死心肌內的缺血、缺氧、缺乏必要生存因子、氧化應激、心肌細胞壞死凋亡引起的炎性因子環境等，極大地限制了 MSCs 的治療效果[29]。
Shu 等[30]研究表明，HO-1 修飾的 MSCs 移植入心肌后，可以顯著修復心肌功能，其機制與保護 MSCs 在凋亡心肌組織中存活，抑制炎性因子如 TNF-α、IL-1β 等釋放，抑制上皮間充質轉化關鍵基因基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）家族成員 MMP-2、MMP-9 以抑制心肌重塑有關。組織學證據顯示，HO-1 修飾的 MSCs 移植入心臟后，左心室擴張及纖維化顯著減弱，心室肌細胞中凋亡基因含 Caspase-3 表達水平及活性顯著降低。不僅如此，HO-1 修飾的 MSCs 還可通過抑制炎性因子高遷移率族蛋白 B（HMGB1）的釋放，減輕心肌缺血再灌注損傷，表現出更強的減輕心力衰竭的效果[31]。HO-1 及其代謝產物一氧化碳、一氧化氮可以誘導 VEGF、FGF 的釋放，調節血管內皮細胞增殖、遷移與分化，從而誘導新生血管生成，對于修復梗死心肌組織具有重要意義。
3.2 HO-1 修飾 MSCs 對損傷肝腎的保護及修復作用
MSCs 通過旁分泌作用釋放的營養及調節因子，在肺、肝、腎等內臟器官損傷中發揮著至關重要的作用。研究表明，MSCs 可以趨向于損傷的內臟，上調受損內臟組織細胞中的 HO-1 表達，從而緩和炎性因子對細胞的傷害，減輕并修復內臟損傷。對 MSCs 進行 HO-1 修飾可以增強其抗炎、抗氧化特性，優化修復效果。Zhang 等[32]研究證實 BMSCs 顯著增強肝臟細胞內 HO-1 表達，抑制 MAPK/NF-κB 通路的激活，繼而抑制中性粒細胞的激活，下調受損肝臟組織炎性因子 IL-1β、IL-6 和 TNF-α 的釋放，緩解急性肝損傷的程度。Chen 等[33]在體外模擬急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征，發現 HO-1 過表達后增強了 MSCs 中肝細胞生長因子、角質細胞生長因子、IL-10 的釋放，抑制脂多糖引發的人肺微血管內皮細胞造成的炎性及氧化損傷過程中關鍵信號通路 NF-κB 的激活，同時促進抗氧化基因核因子 E 相關因子 2 的表達上調，表現出顯著的保護作用。Liu 等[13, 34]研究表明，HO-1 修飾的 BMSCs 中 p53、p38MAPK 的磷酸化水平顯著降低，緩解了氧化環境對 MSCs 的損傷，有效保護了急性損傷腎臟的功能。在此基礎上，Liu 等[34]進一步在各組 BMSCs 中檢測了腎上皮譜系標志分子細胞角蛋白 18（cytokeratin 18，CK18）的表達，發現 HO-1 修飾的 BMSCs 中 CK18 陽性表達比例顯著升高，表明 HO-1 可以增強 MSCs 向腎上皮細胞分化的能力。
HO-1 修飾 MSCs 發揮修復作用的機制不僅限于這些，近年研究表明，HO-1 還可以增強 BMSCs 的自噬活性[35]。自噬被認為是細胞自我保護的關鍵機制之一。Wang 等[36]研究表明，BMSCs 通過增強體內自噬活性，恢復線粒體活性，增強肝細胞抵抗炎性損傷的能力，同時可以部分消除微環境里的炎性細胞因子，緩解了肝臟缺血再灌注損傷及急性肝損傷，該過程依賴于 HO-1 發揮的介導調節作用。Wang 等[37]的研究進一步表明，HO-1 修飾的 BMSCs 移植后，通過 ERK1/2 通路的激活與哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 C1 的抑制作用，使肝細胞的自噬作用顯著增強，有效保護了移植肝臟的結構與功能。
3.3 HO-1 修飾 MSCs 在器官移植領域的應用
器官移植是上世紀醫學發展中最引人注目的成果之一，但是移植術后免疫排斥反應引起的移植物結構與功能破壞，在很大程度上影響了移植受體患者的短期、長期預后，是目前桎梏器官移植學科發展的主要障礙。移植 MSCs 通過發揮其免疫調節等生理功能，表現出廣闊的發展前景。然而移植受體患者體內復雜的環境下，MSCs 的生存率及實際效果難以令人滿意。在組織水平的移植中，Yu 等[38]研究表明，異基因造血干細胞移植（Allo-HSCT）術后，受體 HO-1 的表達水平與急性移植物抗宿主病（acute-graft versus-host diseasea，aGVHD）的嚴重程度成典型的負相關，即 HO-1 的高表達可以緩解 aGVHD 的嚴重程度。Lee 等[39]將 HO-1 基因修飾后的 MSCs 與豬胰島共移植到小鼠體內，有效提高了豬胰島組織在小鼠體內的存活率。表明 HO-1 修飾的 MSCs 具有緩解異種移植后免疫排斥的潛能。
在器官移植聯合干細胞移植的動物模型研究中，使用 HO-1 修飾的 MSCs 表現出了更加理想的效果。在大鼠肝臟移植模型中，Wu 等[40]發現聯合 HO-1 修飾 BMSCs 移植組的效果顯著優于天然 BMSCs 移植組，其生存時間顯著延長，病理顯示肝臟組織中排斥與凋亡程度顯著降低，大鼠血清中抗炎因子 IL-10、TGF-β 水平顯著增高，IL-2、IL-6、IL-17、IL-23、IFN-γ、TNF-α 水平顯著降低，脾內 Treg 細胞明顯增加，表明 HO-1 修飾后 BMSCs 免疫調節功能顯著增強。Wang 等[37]的研究發現，HO-1 修飾 BMSCs 增強了移植肝臟的自噬功能，參與了該保護作用。Yang 等[41]通過檢測各組線粒體活性，證實 HO-1 修飾 BMSCs 可以改善 ATP 酶活性及線粒體損傷，比天然 BMSCs 具有更為有效的保護肝臟移植術后大鼠肝竇內微循環、促進肝臟能量代謝、保護移植肝臟的功能。小腸移植（small bowel transplantation，SBTx）術后的體內環境更加復雜，感染、高免疫原性使得 MSCs 移植后的環境更惡劣，存活率更低。有研究建立了大鼠 SBTx 模型，發現 HO-1 修飾 BMSCs 后也取得了類似效果，即有效改善了 BMSCs 在 SBTx 術后大鼠體內的存活率，同時增強了 BMSCs 的免疫調控功能，保護了移植小腸在大鼠體內的形態及功能[42-43]。
3.4 其他
除上述疾病模型及學科外，HO-1 修飾 MSCs 在其他各學科中的作用也得以證實。在大鼠脊髓損傷模型中，HO-1 修飾 MSCs 發揮的抗炎及促進神經再生作用，有效抑制了星型膠質細胞增生與瘢痕形成，促進了術后下肢神經功能恢復[44]。HO-1 通過保護 BMSCs 及促進其旁分泌血管生成、免疫調節相關細胞因子功能，促進下肢血流恢復，對糖尿病潰瘍傷口具有明顯保護作用等，均顯示了 HO-1 修飾 MSCs 具有更好的修復作用[45]。
4 小結與展望
對 MSCs 進行功能優化，使其更適用于臨床實際應用，是目前干細胞治療領域的研究熱點。HO-1 過表達修飾 MSCs 是其中研究較為深入的一個方向，也是較為成功的一個范例。在過表達 HO-1 的基礎上進行雙基因聯合修飾 MSCs 的相關功能研究也已見諸于報道[43]。根據面臨的實際問題及實踐需求，組織工程學家及臨床專家致力于對 MSCs 的優化改造工作，為干細胞治療提供了大量研究證據及理論基礎。在保證安全性的前提下，探索并確定修飾 MSCs 的基因及方案，以取得最為理想的應用效果的研究，仍然是目前干細胞領域研究的重點，也是臨床應用前不可或缺的重要依據。
作者貢獻：孫東參與資料分析與解釋，起草論文中關鍵性理論及主要內容；宋紅麗參與論文選題與設計，對學術問題進行解答，對文章的知識性內容作批評性審閱；沈中陽參與論文選題與設計，對文章的知識性內容作批評性審閱、指導。
利益沖突聲明：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。基金項目經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。
MSCs 是一種具有自我復制能力、多向分化潛能的干細胞。MSCs 來源于骨髓內容物、臍帶、脂肪組織、羊水、胎盤等，特異性陽性表達 CD73、CD90、CD105 等標記，同時陰性表達 CD14、CD34、CD45、CD11b、CD79-α、CD19 及 HLA-DR 等表面分子，經誘導可以分化為成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞等[1-2]。再生醫學研究表明，MSCs 具有趨向于受傷部位進行組織修復、傷口愈合、免疫調節的功能，同時具有免疫豁免的特權，即在體內可以調節免疫系統的功能但很少引起免疫排斥，且在體內基本不會致畸、致瘤，因此普遍認為 MSCs 是臨床干細胞治療最有前景的細胞工具之一[3]。目前臨床應用 MSCs 移植仍面臨許多亟待解決的問題，比如體外培養方案與效率的差異，細胞移植后有限的存活能力，難以掌控的分化方向，不確定的細胞結局等問題，很大程度上限制了 MSCs 的應用前景[3-4]。因此，根據臨床醫學的需求對 MSCs 進行有目的的修飾，以改善 MSCs 的活性、存活能力，增強其對組織器官的修復功能，成為當前該領域的研究熱點。血紅素加氧酶 1（Heme oxygenase 1，HO-1）是 HMOX1 基因編碼的，調控血紅素降解過程的關鍵限速酶，在機體內具有抗炎、細胞保護及誘導耐受等功能[5]。通過上調 MSCs 內 HO-1 的表達，可以增強 MSCs 耐受應激、增殖、免疫調控等功能，優化其發揮器官功能修復的效果。我們對 HO-1 基因修飾 MSCs 的相關研究及作用機制進行綜述，以期更深地理解與認識干細胞修復作用，為實現理想的干細胞臨床應用提供基礎研究證據與理論支持。
1 HO-1 分子功能概述
HO-1 是由 288 個氨基酸殘基組成的蛋白質，其活躍位點位于前兩個 α-螺旋之間，可以將血紅素降解為膽綠素/膽紅素、一氧化氮、一氧化碳、游離鐵/鐵蛋白等[6]。HO-1 在哺乳動物多種組織中均有一定量表達，在發生紅細胞或血紅蛋白被巨噬細胞降解的細胞、組織或器官（如骨髓、脾臟、肝臟等）中顯著升高。HO-1 的表達水平受到其底物（血紅素）的誘導或其他物理和化學刺激，包括氧化應激、病原體相關分子模式和細胞因子等因素的調控[7]。
病理作用下 HO-1 參與機體內多種應激損傷與修復過程。急性顱內出血時釋放的大量血紅素可促進核因子 2（nuclear factor 2，Nrf2）入核，HO-1 表達水平上調，可通過其產物膽紅素和一氧化碳發揮抗炎、抗氧化應激的作用，還可以直接阻滯核轉錄因子 NF-κB 通路，從而發揮保護神經元的功能[8]。在缺血性梗死的心肌組織中，HO-1 可拮抗單核細胞和巨噬細胞的活性并限制其在心肌組織中的浸潤，促進心肌的缺血后修復過程，挽救心肌功能[9]。HO-1 還可通過恢復線粒體自噬避免線粒體功能失衡，減弱慢性阻塞性肺疾病患者成纖維細胞的老化，提供了新的慢性阻塞性肺疾病治療靶點[10]。其免疫調控的特征可能與腸道腫瘤密切相關，HO-1 表達量升高的結直腸癌患者往往伴有較低的腫瘤學分期及較好的生存預后[11]，證實了 HO-1 具有強大的細胞保護及免疫調控功能。
2 HO-1 修飾對 MSCs 的影響
MSCs 移植入體內后不可避免地面臨嚴峻的應激環境。氧化應激、無血清饑餓、缺氧等一系列負面因素造成的氧化應激和促凋亡因子的大量釋放，是 MSCs 移植入體內后大量凋亡、壞死的主要原因[12]。HO-1 具有抗凋亡及抗氧化應激的能力，這也是對 MSCs 進行 HO-1 修飾的初衷。研究證實，HO-1 修飾 MSCs 顯著提高了細胞的生存能力[13]。進一步研究還發現[14]，HO-1 可以增強 MSCs 的多項生物學功能，取得更為理想的作用效果。
2.1 HO-1 修飾 MSCs 的安全性
調控 MSCs 中 HO-1 表達水平首先應考慮其安全性。天然 MSCs 是否表達 HO-1 目前仍有爭議。盡管 Patel 等[15]研究認為 BMSCs 不能表達可檢測水平的 HO-1，且部分炎性細胞因子無法誘導 HO-1 的從頭合成過程，但普遍觀點仍然認為 MSCs 能夠表達生理水平的 HO-1，維持 MSCs 的生存與增殖。在體內條件下，HO-1 受到氧化應激后迅速誘導表達上調，幫助細胞耐受應激損傷；應激結束后 HO-1 可迅速下調恢復至生理水平，持續的高水平表達則是對細胞的一種損傷[16]。
常用的過表達 HO-1 方案包括化學刺激、質粒轉染、慢病毒轉染、腺病毒轉染等。原卟啉鈷是最常用的誘導細胞上調 HO-1 表達水平的化學刺激因素，原卟啉鋅 9 與原卟啉錫是最常用的 HO-1 的化學抑制因素[17]。質粒、病毒均是通過將基因序列導入 MSCs，以在細胞內翻譯表達的形式。Hamedi-Asl 等[18]推薦使用腺病毒載體進行 HO-1 轉染，認為其優勢在于操作的簡便性、高效性以及瞬時性。腺病毒轉染 HO-1 的 MSCs 在短時間內顯著上調 HO-1 表達，同時又可以快速恢復至基礎生理水平，且不會改變 MSCs 的分子特征及分化能力。高效的基因傳遞效率及相對安全性表明腺病毒是一種理想的修飾 MSCs 過表達 HO-1 的工具。
2.2 HO-1 修飾對 MSCs 存活能力的影響
經 HO-1 修飾后，MSCs 的抗氧化損傷能力及抗凋亡能力顯著提高。Cremers 等[14]研究證明 HO-1 過表達后，通過增加血紅素分解產生的代謝產物水平，使 MSCs 抵抗過氧化氫造成氧化損傷的能力顯著增加。Yu 等[19]研究表明 HO-1 通過細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases 1/2，ERK1/2）通路減少細胞內活性氧的表達水平，同時上調 IL-10 的表達，減少了大量血細胞破裂引起鐵負荷過載對 MSCs 的損傷。Tang 等[20]將 HO-1 修飾后的 MSCs 移植入缺血缺氧的小鼠心肌中，其存活率較天然 MSCs 顯著提高（第 7 天時分別為 18.3%±4.0% 和 3.6%±1.9%）。
HO-1 修飾 MSCs 存活能力的研究具有重要價值。例如，經過凍融過程后，HO-1 修飾的脂肪來源干細胞（adipose-derived mesenchymal stem cells，ADSCs）活力明顯強于天然 ADSCs，這或許為解決 MSCs 冰凍存儲后活力減弱問題提供了新的思路，有利于其臨床應用。Pan 等[21]的研究表明，沉默信息調節因子 6-Nrf2-HO-1 軸調控著 MSCs 生長過程中細胞衰老、轉化代謝失調等多種生物學行為，對該調控軸的進一步研究有望加深對干細胞甚至人體衰老領域的理解。
2.3 HO-1 調節 MSCs 的成脂、成骨分化
MSCs 具有分化為脂肪細胞及成骨細胞的能力，HO-1 在此過程中發揮著重要的調控作用[22]。HO-1 可以抑制 MSCs 向脂肪方向分化，同時促進 MSCs 向成骨方向分化。Barbagallo 等[23]首次證實 HO-1 可以磷酸化腺苷酸激活蛋白激酶及內皮一氧化氮合酶，并上調成骨細胞標記物（骨橋蛋白、骨鈣蛋白、ALP 等）表達，促進 MSCs 向成骨方向分化及骨質沉積。同時，HO-1 與體內高葡萄糖水平互相拮抗，共同影響著 MSCs 向脂肪方向分化的能力[24]。HO-1 影響 MSCs 成脂、成骨方向分化的過程涉及多條信號通路的調控，如絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路、ERK1/2 通路、磷脂酰肌醇 3-激酶/蛋白激酶 B 通路、過氧化物酶體增殖物激活受體 γ 通路等[24-26]。該機制的相關研究對于臨床治療骨質疏松癥、骨質缺損及肥胖、2 型糖尿病、代謝綜合征具有十分重要的意義。
2.4 HO-1 修飾對 MSCs 免疫調節作用的影響
MSCs 的免疫調節功能是其成為理想工具細胞的主要原因之一。研究表明，與天然 MSCs 相比，HO-1 修飾后的 MSCs 具有更強的免疫調節功能，其機制主要有：① 存活能力更強；② 促進抗炎因子及抑制炎性因子釋放的能力更強；③ 更強的抑制 T 淋巴細胞增殖、活化功能；④ 提高調節性 T 細胞（regulatory T cell，Treg）所占比例；⑤ 抑制自然殺傷細胞活性[27-28]。這也是對 MSCs 進行 HO-1 過表達修飾的相關研究備受矚目的原因之一。
3 HO-1 修飾 MSCs 在各系統疾病中的研究
MSCs 是干細胞治療的理想工具細胞，但目前仍存在諸多限制。基于上述討論，組織工程學者及干細胞學者對 HO-1 修飾的 MSCs 在各臨床領域及各系統疾病模型中的作用機制進行了一系列研究，取得了一定進展。
3.1 HO-1 修飾的 MSCs 在心肌梗死中的保護及修復作用
MSCs 對心肌梗死后的修復功能已得到大量研究證實，然而植入的 MSCs 在梗死心肌中的存活率（<5%）很難令人滿意。其原因包括梗死心肌內的缺血、缺氧、缺乏必要生存因子、氧化應激、心肌細胞壞死凋亡引起的炎性因子環境等，極大地限制了 MSCs 的治療效果[29]。
Shu 等[30]研究表明，HO-1 修飾的 MSCs 移植入心肌后，可以顯著修復心肌功能，其機制與保護 MSCs 在凋亡心肌組織中存活，抑制炎性因子如 TNF-α、IL-1β 等釋放，抑制上皮間充質轉化關鍵基因基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）家族成員 MMP-2、MMP-9 以抑制心肌重塑有關。組織學證據顯示，HO-1 修飾的 MSCs 移植入心臟后，左心室擴張及纖維化顯著減弱，心室肌細胞中凋亡基因含 Caspase-3 表達水平及活性顯著降低。不僅如此，HO-1 修飾的 MSCs 還可通過抑制炎性因子高遷移率族蛋白 B（HMGB1）的釋放，減輕心肌缺血再灌注損傷，表現出更強的減輕心力衰竭的效果[31]。HO-1 及其代謝產物一氧化碳、一氧化氮可以誘導 VEGF、FGF 的釋放，調節血管內皮細胞增殖、遷移與分化，從而誘導新生血管生成，對于修復梗死心肌組織具有重要意義。
3.2 HO-1 修飾 MSCs 對損傷肝腎的保護及修復作用
MSCs 通過旁分泌作用釋放的營養及調節因子，在肺、肝、腎等內臟器官損傷中發揮著至關重要的作用。研究表明，MSCs 可以趨向于損傷的內臟，上調受損內臟組織細胞中的 HO-1 表達，從而緩和炎性因子對細胞的傷害，減輕并修復內臟損傷。對 MSCs 進行 HO-1 修飾可以增強其抗炎、抗氧化特性，優化修復效果。Zhang 等[32]研究證實 BMSCs 顯著增強肝臟細胞內 HO-1 表達，抑制 MAPK/NF-κB 通路的激活，繼而抑制中性粒細胞的激活，下調受損肝臟組織炎性因子 IL-1β、IL-6 和 TNF-α 的釋放，緩解急性肝損傷的程度。Chen 等[33]在體外模擬急性肺損傷/急性呼吸窘迫綜合征，發現 HO-1 過表達后增強了 MSCs 中肝細胞生長因子、角質細胞生長因子、IL-10 的釋放，抑制脂多糖引發的人肺微血管內皮細胞造成的炎性及氧化損傷過程中關鍵信號通路 NF-κB 的激活，同時促進抗氧化基因核因子 E 相關因子 2 的表達上調，表現出顯著的保護作用。Liu 等[13, 34]研究表明，HO-1 修飾的 BMSCs 中 p53、p38MAPK 的磷酸化水平顯著降低，緩解了氧化環境對 MSCs 的損傷，有效保護了急性損傷腎臟的功能。在此基礎上，Liu 等[34]進一步在各組 BMSCs 中檢測了腎上皮譜系標志分子細胞角蛋白 18（cytokeratin 18，CK18）的表達，發現 HO-1 修飾的 BMSCs 中 CK18 陽性表達比例顯著升高，表明 HO-1 可以增強 MSCs 向腎上皮細胞分化的能力。
HO-1 修飾 MSCs 發揮修復作用的機制不僅限于這些，近年研究表明，HO-1 還可以增強 BMSCs 的自噬活性[35]。自噬被認為是細胞自我保護的關鍵機制之一。Wang 等[36]研究表明，BMSCs 通過增強體內自噬活性，恢復線粒體活性，增強肝細胞抵抗炎性損傷的能力，同時可以部分消除微環境里的炎性細胞因子，緩解了肝臟缺血再灌注損傷及急性肝損傷，該過程依賴于 HO-1 發揮的介導調節作用。Wang 等[37]的研究進一步表明，HO-1 修飾的 BMSCs 移植后，通過 ERK1/2 通路的激活與哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 C1 的抑制作用，使肝細胞的自噬作用顯著增強，有效保護了移植肝臟的結構與功能。
3.3 HO-1 修飾 MSCs 在器官移植領域的應用
器官移植是上世紀醫學發展中最引人注目的成果之一，但是移植術后免疫排斥反應引起的移植物結構與功能破壞，在很大程度上影響了移植受體患者的短期、長期預后，是目前桎梏器官移植學科發展的主要障礙。移植 MSCs 通過發揮其免疫調節等生理功能，表現出廣闊的發展前景。然而移植受體患者體內復雜的環境下，MSCs 的生存率及實際效果難以令人滿意。在組織水平的移植中，Yu 等[38]研究表明，異基因造血干細胞移植（Allo-HSCT）術后，受體 HO-1 的表達水平與急性移植物抗宿主病（acute-graft versus-host diseasea，aGVHD）的嚴重程度成典型的負相關，即 HO-1 的高表達可以緩解 aGVHD 的嚴重程度。Lee 等[39]將 HO-1 基因修飾后的 MSCs 與豬胰島共移植到小鼠體內，有效提高了豬胰島組織在小鼠體內的存活率。表明 HO-1 修飾的 MSCs 具有緩解異種移植后免疫排斥的潛能。
在器官移植聯合干細胞移植的動物模型研究中，使用 HO-1 修飾的 MSCs 表現出了更加理想的效果。在大鼠肝臟移植模型中，Wu 等[40]發現聯合 HO-1 修飾 BMSCs 移植組的效果顯著優于天然 BMSCs 移植組，其生存時間顯著延長，病理顯示肝臟組織中排斥與凋亡程度顯著降低，大鼠血清中抗炎因子 IL-10、TGF-β 水平顯著增高，IL-2、IL-6、IL-17、IL-23、IFN-γ、TNF-α 水平顯著降低，脾內 Treg 細胞明顯增加，表明 HO-1 修飾后 BMSCs 免疫調節功能顯著增強。Wang 等[37]的研究發現，HO-1 修飾 BMSCs 增強了移植肝臟的自噬功能，參與了該保護作用。Yang 等[41]通過檢測各組線粒體活性，證實 HO-1 修飾 BMSCs 可以改善 ATP 酶活性及線粒體損傷，比天然 BMSCs 具有更為有效的保護肝臟移植術后大鼠肝竇內微循環、促進肝臟能量代謝、保護移植肝臟的功能。小腸移植（small bowel transplantation，SBTx）術后的體內環境更加復雜，感染、高免疫原性使得 MSCs 移植后的環境更惡劣，存活率更低。有研究建立了大鼠 SBTx 模型，發現 HO-1 修飾 BMSCs 后也取得了類似效果，即有效改善了 BMSCs 在 SBTx 術后大鼠體內的存活率，同時增強了 BMSCs 的免疫調控功能，保護了移植小腸在大鼠體內的形態及功能[42-43]。
3.4 其他
除上述疾病模型及學科外，HO-1 修飾 MSCs 在其他各學科中的作用也得以證實。在大鼠脊髓損傷模型中，HO-1 修飾 MSCs 發揮的抗炎及促進神經再生作用，有效抑制了星型膠質細胞增生與瘢痕形成，促進了術后下肢神經功能恢復[44]。HO-1 通過保護 BMSCs 及促進其旁分泌血管生成、免疫調節相關細胞因子功能，促進下肢血流恢復，對糖尿病潰瘍傷口具有明顯保護作用等，均顯示了 HO-1 修飾 MSCs 具有更好的修復作用[45]。
4 小結與展望
對 MSCs 進行功能優化，使其更適用于臨床實際應用，是目前干細胞治療領域的研究熱點。HO-1 過表達修飾 MSCs 是其中研究較為深入的一個方向，也是較為成功的一個范例。在過表達 HO-1 的基礎上進行雙基因聯合修飾 MSCs 的相關功能研究也已見諸于報道[43]。根據面臨的實際問題及實踐需求，組織工程學家及臨床專家致力于對 MSCs 的優化改造工作，為干細胞治療提供了大量研究證據及理論基礎。在保證安全性的前提下，探索并確定修飾 MSCs 的基因及方案，以取得最為理想的應用效果的研究，仍然是目前干細胞領域研究的重點，也是臨床應用前不可或缺的重要依據。
作者貢獻：孫東參與資料分析與解釋，起草論文中關鍵性理論及主要內容；宋紅麗參與論文選題與設計，對學術問題進行解答，對文章的知識性內容作批評性審閱；沈中陽參與論文選題與設計，對文章的知識性內容作批評性審閱、指導。
利益沖突聲明：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。基金項目經費支持沒有影響文章觀點和對研究數據客觀結果的統計分析及其報道。