虽然，胚胎干细胞的“全能性”备受瞩目，然而由于其研究受到伦理学的限制，目前研究较多的是成体干细胞在组织修复与再生中的应用。本章所讨论的微环境与干细胞的关系均特指成体干细胞。目前，成体干细胞已广泛地用于组织修复与再生。研究表明，在皮肤组织缺损修复中，围绕毛囊周围的真皮鞘含有维持和再生真皮乳头的祖细胞。这些祖细胞在皮肤损伤后能转换成为创伤愈合过程中需要的成纤维细胞，在损伤后皮肤的修复中具有重要作用;也有研究发现，毛囊干细胞不仅能转换成毛囊组织内的多种类型细胞，而且能迁移到皮肤表面，形成表皮细胞;肌肉的再生可以来源于骨髓源性的多能干细胞及神经干细胞，它们均具有转化为成肌细胞的潜能;神经干细胞能够被诱导成星形胶质细胞，重建损伤前的微环境，也可以被诱导成少突胶质细胞，促进髓鞘化的再形成;我们实验室研究发现，牙周膜干细胞制备为细胞膜片，可以用于牙周缺损的修复与再生。利用成体干细胞的多向分化潜能进行的治疗性研究已经开展，并在心肌梗死、充血性心功能衰竭以及牙周再生等治疗方面获得初步成功。由此可见，干细胞已经广泛地用于全身组织器官的修复与再生研究。然而，创伤的愈合是一个炎症过程，在炎症环境中，大量的炎性因子通过改变干细胞的生长环境，从而影响内源性干细胞介导的组织修复与再生。因此在慢性炎症疾病中如慢性牙周炎、骨关节炎等，组织的再生修复能力有所下降，其主要原因可能是炎性微环境对干细胞的生物学特性的影响。主要内容包括以下几个方面:

有学者发现，干细胞在炎性微环境中保持着静息态、自我更新和细胞分化三者之间的平衡。而干细胞的增殖分化能力受到外在因素和内在因素两方面的影响，前者指细胞生长发育赖以生存的环境，由细胞成分、细胞外基质和细胞因子等共同构成，后者即干细胞所处的微环境如炎性微环境，对保持干细胞的正常生理状态、维持其未分化状态及信号传导起重要作用。人体组织内成体干细胞的动态平衡及其分化程度是组织器官再生修复的生物学基础，然而在炎性微环境中，大量炎性因子通过改变成体干细胞的微环境，影响其生物学特性，从而影响组织的修复与再生能力。如外伤引起神经组织中的炎症反应能够改变神经干细胞的微环境，降低其增殖和分化能力，而通过抑制炎症的发展程度可以恢复神经干细胞的再生能力。另外有学者证明持续性的慢性炎症环境能降低原位组织中牙周膜干细胞( periodontal ligament stem cells，PDLSCs)的增殖和迁移能力，并通过改变干细胞内在分子通路来抑制其组织再生修复的能力，关于其中具体的机制有待进一步的研究(图13-1，图片来自于本实验室研究结果)。

干细胞的多向分化潜能被认为是其最重要的生物学特征，也是干细胞之所以能够在组织的修复与再生过程中扮演重要角色的原因。研究发现，慢性炎症状态下牙周膜干细胞的多向分化潜能受到明显抑制，尤其是成骨分化能力。另有相关研究表明炎症可以通过各种炎性因子，如TNF-α的分泌来影响牙周膜干细胞中经典与非经典Wnt通路的平衡，从而抑制其正常的成骨分化能力。有关炎性微环境对干细胞增殖及多向分化能力机制的研究，为我们逆转炎性微环境下干细胞的功能，恢复并增强其组织的修复与再生能力奠定了基础(图13-2，图片来自于本实验室研究结果)。

干细胞具有低免疫源性，可以对免疫系统的多种细胞的增殖、功能等产生影响。干细胞对免疫系统的影响是近年来研究的热点，在自身免疫性疾病及肿瘤免疫中的应用前景备受关注。间充质干细胞( mesenchymal stem cells，MSCs)能显著抑制各种丝裂原引起的T细胞和B细胞增殖与活化，抑制树突状细胞、自然杀伤细胞的分化与成熟。研究表明，在动物体内，给予受体动物适量的异体MSCs，可以延长移植器官在受者体内的存活时间。干细胞的免疫调节机制主要表现在以下几个方面:①细胞因子参与干细胞的免疫调节;②干细胞的免疫调节和细胞间的直接接触有关;③干细胞参与免疫调节与抗原递呈细胞( Antigenpresenting cells，APC)有关。众多免疫性疾病或者肿瘤都与慢性炎症密切相关，干细胞的免疫调节能力很大程度上由细胞因子构成的微环境决定，因此，明确炎性微环境对干细胞免疫调节能力的影响，对于应用干细胞进行疾病的治疗至关重要，详见第三篇第二章。

1983年，Gallatin等在 Nature杂志上首次报道血源性淋巴细胞能选择性地进入二级淋巴器官，这个过程他们用淋巴细胞“归巢”进行定义。后来，“归巢”被逐渐用于形容细胞趋向性迁移并定植到特定靶向组织的过程。移植的自体干细胞，按机体需要迁移到体内所需的位置，自行定位于各个组织器官的干细胞巢当中，这一过程就称之为干细胞的迁移归巢能力。干细胞迁移归巢可以分为四个过程:①干细胞的动员与植入;②干细胞渗出;③干细胞向梗死区移行;④干细胞的分化。有学者发现在干细胞的培养过程中，适当的加入一些炎性因子改变其微环境，能有效地增强干细胞向靶向组织的归巢效应。干细胞能分泌大量的具有生物活性的因子，同时其表面也表达大量的趋化因子。现在普遍认为，趋化因子家族及其受体，除了介导白细胞在正常或炎症条件下的迁移和体内重分配外，它们也是操控干细胞迁移和归巢的重要因子。当机体受到损伤时，趋化因子受体的表达上调，在炎性因子的趋化作用下，干细胞能快速地到达受损伤的组织局部，增强伤口的愈合能力，促进组织的再生。我们实验室前期研究发现，对正常4周C57/BL6小鼠进行8. 5Gray放射线照射破坏其骨髓再生能力(为了构建嵌合鼠模型)，并在此基础上建立牙周缺损模型，24小时内注射GFP+全骨髓细胞(包含造血干细胞、骨髓间充质干细胞等)，于注射后1个月、2个月及4个月观察。结果表明，GFP+细胞能够迁移至缺损牙周组织处，并且分化为牙周特异性干细胞参与修复该处缺损(图13-3，图片来自于本实验室研究结果)。

干细胞的生物学特性是受到严密调控的，也正是由于这种调控机制的存在，使得干细胞在各种组织器官中的群体稳定性，以及在不同生理或者病理状态下的生物学行为，才得以有序地发生。目前一般认为，干细胞存在的微环境决定干细胞的这种调控机制。当局部或者全身的状态出现炎症改变时，炎性微环境将会对干细胞的生物学特性产生不同层面的影响。

在干细胞微环境中，分泌因子( secreted factors)可以是干细胞自身分泌的，也可以是来自外围细胞或者其他组织细胞的，它们对于干细胞生物学特性的调控具有重要作用。在正常的细胞微环境和炎性微环境中，分泌因子的种类及其表达水平有很大的差异。例如，目前发现，TGFβs和Wnt家族的信号分子在多种干细胞的不对称分裂以及维持干细胞自我更新方面有重要的功能。我们之前的研究结果发现，从牙周炎患者获得的牙周膜干细胞( periodontal ligament stem cells of patients with periodontitis，P-PDLSCs)增殖能力增强，但成骨能力下降，且在成骨诱导过程中细胞凋亡增加。P-PDLSCs高表达βcatenin，经典Wnt信号通路被激活，而抑制了非经典Wnt/Ca ²⁺信号通路。P-PDLSCs非经典关键蛋白CaMKⅡ与NLK的表达低于健康牙周膜干细胞，在成骨分化过程中Wnt/Ca ²⁺非经典信号的CaMKⅡ与NLK发挥重要作用。这说明Wnt经典信号通路的增强，非经典信号通路的减弱可能是P-PDLSCs增殖增加而成骨分化能力降低的重要原因。在加入DKK1(经典Wnt通路的抑制剂)后，可促进P-PDLSCs的成骨分化。此外，应用炎性因子模拟炎症微环境，对BMMSCs和PDLSCs两种干细胞成骨分化能力进行了比较，随着炎症因子IL-1β及TNF-α浓度的增加，PDLSCs成骨分化能力逐渐减弱，而对BMMSCs来说，成骨分化能力未见明显差异。PDLSCs与BMMSCs两者在炎症因子刺激作用下均激活NF-κB信号通路，但BMMSCs对炎症因子刺激有较强的抵抗作用，成骨转录基因及蛋白较PDLSCs表达高。在P-PDLSCs中，加入BAY 11-7082( NF-κB信号通路抑制剂)后，能部分恢复其成骨分化能力，总结图如下(图13-4)。

　microRNA( miRNA)是一类长约19～24个核苷酸的小分子非编码RNA，它们能够识别特定的靶基因，并负向调控其表达，通过翻译后抑制或者降解靶基因的mRNA，在发育、肿瘤发生、干细胞分化、凋亡等多种生理病理过程中发挥重要的调节作用。miRNA的调控和靶基因之间是一对多的调控关系，一个靶基因可能同时受多种miRNA的调控，而一个miRNA也可能调控着多个靶基因，而这些靶基因之间的作用可能是协同的或者是相反的。miRNA在何时将启动调控某一个特定的靶基因，可能和特定微环境中miRNA的表达水平和靶基因表达的时效性有关。我们的研究发现正常微环境中，miR-17负向调控PDLSCs的成骨分化，可能通过Wnt信号通路关键转录因子transcriptional factor 3( TCF3)发挥调控作用。而在P-PDLSCs中，miR-17通过调控smad ubiquitination regulatory factor 1( Smurf 1)的表达来促进成骨的分化。慢性炎症的微环境影响了miRNA以及信号通路表达量的变化，从而引发干细胞生物学特性的改变。而在不同的微环境中，由于干细胞细胞外信号的差异，miRNA将会通过不同的信号通路和靶基因调节细胞的生物学功能(图13-5)，决定着干细胞最终的分化命运。

整合膜蛋白( integral membrane protein)是一种细胞膜结合蛋白，均为跨膜蛋白( transmembrane protein)，是两性分子，疏水部分位于脂双层内部，亲水部分位于脂双层外部。在干细胞微环境中，除游离的分泌因子可以对干细胞发生作用以外，有些调控干细胞命运的信号分子则是通过细胞与细胞之间相互作用而发挥效应的。由于存在疏水结构域，整合蛋白与膜的结合非常紧密。许多介导细胞与细胞黏附的受体分子都属于整合膜蛋白，但是这种细胞间的黏附对干细胞的调节作用目前认识不多。

整联蛋白( Integrins)是一类细胞黏附分子，其作用依赖于Ca ²⁺，具有介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与细胞外基质的相互作用。几乎所有的动植物细胞均表达整联蛋白，其中细胞对胞间基质的附着可以由多种受体介导，目前认识较多的是整联蛋白高表达β-integrin对维持表皮干细胞( epidermal stem cell)的增殖分化至关重要。但是炎性微环境下，细胞外基质对于干细胞生物学特性的影响，目前还不是很清楚，仍有待进一步研究。

微环境的改变能够影响干细胞的命运，但是，也有证据表明，微环境中的因素对于干细胞命运的决定是可逆的。例如:当干细胞被置于新的生存环境中后，它们的特性会发生改变，由此也使得干细胞带上新的环境特征，从而体现出干细胞的可塑性，而这一机制可能与表观遗传学( Epigenetics)有关，即指DNA序列不发生变化而基因表达却发生了可遗传的改变。目前，干细胞生物学所面临的重要挑战，就是确定微环境中决定干细胞各种生物学行为的关键作用因子。现在已经知道，在某些组织中，其干细胞的类型不止一种，例如在骨髓中不仅有造血干细胞，还有间充质干细胞。此外，我们实验室研究发现，同一炎性因子TNF-α对PDLSCs及BMMSCs成骨分化的抑制作用不同。这就意味着，不同的干细胞可以对同一个微环境中的作用因子做出不同的反应。由此可见，关于干细胞微环境对干细胞功能的影响及其作用机制的研究，是一个相当复杂的问题。