圣雅菲——间充质干细胞在特发性肺纤维化治疗中的应用

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　　摘要摘要

　　特发性肺纤维化(IPF)病死率很高，目前仍以药物治疗为主，但只能延缓疾病进展，改善患者生活质量，延长生存期。间充质干细胞(MSCs)作为一个新的治疗选择或许能够逆转肺纤维化达到治愈的目标，目前已应用于临床研究中。MSCs可归巢、迁移并分化为肺泡上皮细胞以修复受损的肺组织，还可通过抑制炎性因子表达、分泌多种生物活性分子等机制发挥其抗炎、抗纤维作用。间充质干细胞不表达Ⅱ类主要组织相容性复合物(MHC-Ⅱ)，具有"免疫特权"，因此可以用于同种异体移植。目前的临床研究表明MSCs可改善患者临床症状及肺功能，提高生活质量，并且大多数患者对治疗的耐受性良好。但部分患者在治疗后出现感肺部感染、IPF的进一步恶化甚至呼吸衰竭等表现，这些是否与MSCs治疗相关，仍有待进一步研究。

　　特发性肺纤维化(IPF)是一种慢性、进行性、纤维化性间质性肺疾病，组织学和(或)胸部高分辨率CT(HRCT)以普通型间质性肺炎(UIP)为特征表现，病因不明，好发于老年人。目前认为IPF源于肺泡上皮反复发生微小损伤后的异常修复。反复微小损伤导致肺泡上皮凋亡，激活产生多种生长因子和趋化因子诱导固有成纤维细胞增生，趋化循环纤维细胞到受损肺组织，刺激上皮基质转化，成纤维细胞分化为肌成纤维细胞，促进成纤维细胞和肌成纤维细胞灶的形成，zui终导致纤维瘢痕形成、肺结构破坏和肺功能丧失[1]。炎症在IPF发病过程中通常是轻微的，包括与Ⅱ型肺泡上皮细胞(type Ⅱ alveolar epithelial cell，AT-Ⅱ)和细支气管上皮增生相关的淋巴细胞和浆细胞在肺间质的片状浸润[2]。但是在整个IPF发生过程尤其是早期的炎症阶段，许多细胞因子可以参与其中，例如转化生长因子(transforming growth factor-beta，TGF-β)、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-alpha，TNF-α)，结缔组织生长因子(connective tissuegrowth factor，CTGF)等[3]。干细胞包括间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)已被广泛用于临床疾病的治疗研究。在第一阶段的临床试验中，骨髓间充质干细胞是一类多能干细胞，可以在体外转分化、克隆和自我更新，有助于减轻炎症和减轻PF的恶化。

　　一、间充质干细胞概述

　　间充质干细胞(MSC)是干细胞家族的重要成员，来源于发育早期的中胚层，属于多能干细胞，存在于多种组织(如骨髓、脐带血和脐带组织、胎盘组织、脂肪组织等)。MSCs具有多向分化潜力，是非造血干细胞的成体细胞，可以向多种间充质系列细胞(如成骨、成软骨及成脂肪细胞等)或非间充质系列细胞分化，并具有独特的细胞因子分泌功能。MSCs能够迁移到损伤的确切部位，分化成各种细胞系，分泌对细胞生存和增殖至关重要的可溶性因子，调节免疫反应[4]。

　　二、间充质干细胞用于IPF的机制

　　1.归巢和迁移：

　　IPF是一种上皮源性疾病。反复损伤和肺泡上皮细胞(AEC)的异常修复干扰正常的上皮-成纤维细胞相互作用，并在纤维化过程中起主要作用[5]。在博来霉素(BLM)诱导的IPF动物模型中，骨髓来源间充质干细胞(BM-MSCs)在肺组织损伤后归巢到肺部，表现出上皮样表型并减轻炎症和胶原沉积。人间充质干细胞(hMSCs)对AEC损伤表现出强烈的迁移反应[6]。BM-MSC的迁移由一些趋化因子及其受体介导，趋化因子基质细胞衍生因子-1(SDF-1)通过与细胞表面上的同源受体CXCR4相互作用使其迁移到受损组织[7]。与正常人的肺组织相比，IPF患者的肺中SDF-1和CXCR4表达增加，有利于MSCs的迁移运动。

　　2.分化：

　　Wnt/β-catenin信号参与组织重塑、纤维化、损伤和肺部疾病，这个信号也调节MSCs的分化[8]。归巢到受损肺部后，由Wnt途径介导[9]，MSCs可分化为Ⅱ型AEC，并参与体内外肺泡上皮的更新。Liu等[10]研究发现经典Wnt途径中的β-catenin和糖原合成酶激酶-3β(GSK-3β)在小鼠MSCs分化为Ⅱ型AECs的过程中被激活，β-catenin在小鼠MSCs中的过度表达激活了Wnt通路，进一步提高了其对小鼠上皮损伤的保护作用和对ARDS的治疗作用[11]。进一步研究发现，Wnt5a通过体外非经典c-Jun N-末端激酶(JNK)或蛋白激酶C(PKC)信号传导促进MSC分化为Ⅱ型AEC[12]。然而，MSCs通过分化成上皮细胞而对PF具有拮抗作用仍存在争议，在盐酸诱导的急性肺损伤(ALI)动物模型中，MSCs没有改善ALI的病理改变，Wnt-3α激活的Wnt信号传导抑制了MSCs的上皮分化过程，促进肺纤维化[8]。另有研究表明MSCs在移植的动物模型中可以被诱导成纤维细胞和肌成纤维细胞[13,14,15]，加重肺纤维化。因此骨髓间充质干细胞具有植入损伤肺并分化为特定细胞类型的能力，然而，决定肺内MSCs分化的细胞因子和信号途径尚不清楚，仍有待进一步研究。

　　3.下调炎性介质和促纤维化介质的表达：

　　脂肪来源间充质干细胞(AD-MSCs)下调促炎细胞因子IL-2、IL-1b、肿瘤坏死(TNF)和转化生长因子(TGF)β的表达，导致炎症减轻，另外可以下调成纤维细胞生长因子(FGF)、结缔组织生长因子(CTGF)、胶原(COL)3a1和CoL1a1等促纤维化介质的表达，减轻肺纤维化。此外，有研究发现AD-MSCs下调基质金属蛋白酶(MMPs)的表达，导致金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)的表达减少，从而维持MMP-TIMP平衡，防止由博来霉素引起的肺损伤中基质重构，降低胶原沉积减轻肺纤维化[16]。

　　4.MSCs旁分泌因子：

　　MSCs在肺损伤修复和再生中具有旁分泌作用。MSCs具有分泌多种生物活性分子的能力，如参与免疫系统信号传导的蛋白质、细胞外基质重塑物、生长因子及其调节因子，这些生物活性分子可以调节局部炎症反应并修复受损组织。(1)生长因子：MSC分泌的生长因子在肺泡上皮细胞和肺血管内皮细胞的修复以及损伤后肺通透性的恢复或维持中起重要作用[17]。角质细胞生长因子(KGF)是FGF家族的第7个成员(FGF7)，是BM-MSCs分泌的重要上皮特异性生长因子，KGF可以减轻肺水肿，降低转化生长因子(TGF-β)和血小板衍生生长因子-BB(PDGF-BB)的表达，减轻BLM诱导的PF中Ⅱ型AEC的损伤。MSCs分泌的其他上皮特异性生长因子主要是肝细胞生长因子(HGF)和表皮生长因子(EGF)，HGF的增加可以提高移植的MSCs的存活率。血管生成素-1(Ang-1)是已知的内皮细胞存活和血管稳定因子，通过改变内皮细胞的黏附分子和细胞连接降低内皮细胞的通透性并抑制白细胞与内皮细胞的相互作用[18]，MSCs通过分泌Ang-1改善肺损伤小鼠的治疗效果，Ang-1通过阻止肌动蛋白应力纤维的形成并且通过核因子-κB(NF-κB)抑制连接蛋白(claudin)解体而发挥其作用。(2)抗炎细胞因子：IPF的一个重要发病机制是急性和(或)慢性炎症，这也是大多数IPF患者再次发生肺损伤的关键因素。MSCs可以分泌细胞因子调节剂发挥抗炎作用，MSC衍生条件培养基(MSC-CM)通过分泌胰岛素样生长因子-1(IGF-1)减轻肺部炎症并促进抗炎巨噬细胞M2表型的表达[19]。MSC-CM通过修复肺泡间充质干细胞并抑制T细胞增殖，减少肺泡腔炎症细胞的流入，同时逆转肺纤维化[20]。另外BM-MSCs还可以分泌IL-1受体拮抗剂降低炎症反应并阻止肺部发生纤维化[21]。人间充质干细胞(hMSCs)分泌肿瘤坏死因子(TNF)的可溶性受体-1(sTNFR1)与TNF-α结合后可以减轻小鼠腹腔注射脂多糖(LPS)后全身炎症反应[22]。而且hMSCs可以通过分泌前列腺素E2(PGE2)抑制T细胞活化，从而刺激分泌IL-10的肺泡巨噬细胞[23]。(3)线粒体相关激素STC1(stanniocalcin-1，STC1)：在正常的伤口愈合中，AEC分泌的TGF-β1在组织修复期间适时减少。然而，在IPF的组织修复中观察到AEC可持续分泌TGF-β1。研究表明，在BLM诱导的IPF模型中，MSCs可以通过STC1分泌来纠正上皮细胞和间充质细胞之间的不充分交流。STC1的抗纤维化作用包括减少AEC中的氧化应激、内质网(ER)应激和TGF-β1产生[24]。

　　5.免疫调节：

　　研究报告hMSCs改变树突状细胞(DCs)、幼稚和效应T细胞(T helper，Th1/Th2)和自然杀伤细胞(NK)的细胞因子分泌谱，以诱导一种更具抗炎作用的细胞因子或耐受表型[25]。MSCs还能诱导调节性T细胞(Tregs)并维持Tregs抑制自身反应性T效应器反应的能力。有人提出，在MSCs存在下体内产生的Tregs将持续扩增。鉴于注射外源性的短期MSC可以作为催化剂来扩增持久的抗原特异性Treg，这将对它们的免疫调节潜能产生重要影响[26]。

　　6.微泡：

　　研究表明从间充质干细胞释放的微泡治疗效果虽然不如MSC，但可以明显改善IPF症状，例如胶原沉积、炎症等，使调节靶细胞的mRNA、microRNA和蛋白质水平转移。干细胞基因产物的转移可以解释干细胞移植的效果，而不需要向组织细胞转化[27]。

　　7.间充质干细胞的基因修饰治疗：

　　研究表明，肝细胞生长因子(HGF)基因对MSC进行修饰，用于组织损伤性疾病的修复治疗，具有明显的优势。表现为：(1)局部高分泌的HGF可以使MSC"停留"在损伤组织局部，有利于MSC向损伤组织细胞的分化;(2)HGF可使MSC的移植存活率升高(HGF的抗MSC凋亡作用)，进而提高治疗效果。作用机制可能与其减轻肺组织的炎症有关[28]。

　　8.抗氧化应激：

　　正常生理情况下，体内活性氧(ROS)的生成与清除保持动态平衡。当肺组织内有过多的ROS时就会引发氧化应激反应。许多研究表明在IPF发病过程中，氧化应激可以贯穿始终，氧化应激产生的活性氧可直接或间接损伤细胞的蛋白质、脂质、核酸等成分，是许多疾病发生的病理生理基础。Nrf2(NF-E2-releated factor 2)是细胞氧化应激反应中的关键因子，受Keap1的调控，通过与抗氧化反应元件ARE相互作用，调节抗氧化蛋白和Ⅱ相解毒酶的表达，在抗炎、抗肿瘤、神经保护等方面发挥广泛的细胞保护功能，骨髓间充质干细胞的移植可抑制博莱霉素诱导肺纤维化的形成，其显著提高肺纤维化大鼠Nrf2的含量，进而促进下游保护性蛋白血红素加氧酶-1(HO-1)、γ-谷氨酸半胱氨酸合成酶(γ-GCS)和NADP(H)醌氧化还原酶NQO1的表达，清除活性氧(ROS)，抑制肺组织氧化应激反应，由此减少肺组织中HYP的含量，减径损伤的肺组织中成纤维细胞的増生和细胞外基质沉积[29]。

　　三、MSCs在人类IPF中的应用

　　目前MSCs已应用于人类的临床研究中，Chambers等[30]将非血缘供者胎盘来源的MSC经外周静脉输注给8例中重度IPF[一氧化碳扩散能力(DLCO)≥25%，用力肺活量(FVC)≥50%]患者，随访6个月，结果表明患者对治疗的耐受良好，FVC、DLCO、6 min步行实验和CT纤维化评分与基线相比无变化，没有纤维化加重的迹象。与治疗相关不良反应如血氧饱和度(SaO2)的下降[1%(0~2%)]、心率的下降轻微且短暂，血流动力学无变化。6个月后2例患者在治疗过程中出现肺部感染，抗生素治疗后好转，这可能与MSC治疗有关。其中1例患者出现小肠梗阻，经剖腹探查后证实为肠粘连所致，与MSC治疗无关。2例患者治疗过程中出现IPF进展，其中1例经激素治疗后好转，可能与MSC治疗无关。另1例经氧疗及激素治疗，研究结束时仍未好转，可能与MSC治疗有关。

　　Glassberg等[31]将非血缘供者骨髓来源的MSC经外周静脉输注给9例轻中度IPF患者，随访60周，结果表明对IPF患者输注人骨髓源性间充质干细胞(hBM-MSC)2×108是安全的，所有患者均耐受良好，未发生严重治疗相关不良事件。2例死亡是由于IPF的进展[疾病恶化和(或)急性加重]，与治疗无关。输注后60周FVC%预计值平均下降3.0%，DLCO占预计值%平均下降5.4%。大多数患者(78%)发生轻度不良反应，如支气管炎、普通感冒和鼻窦炎等，但均与治疗无关。

　　自体脂肪干细胞(SDSF)在脂肪组织中大量存在且容易获取，Tzouvelekis等[32]将自体脂肪来源的基质细胞(ADSCS)-基质血管组分(SVF)经气道输注给14例轻中度IPF患者(FVC占预计值%>50%和DLCO占预计值%>35%)，随访12个月，结果表明所有患者均未出现严重或有临床意义的不良事件，且患者在功能参数(FVC、FVC占预计值%、DLCO占预计值%等)和生活质量指标方面都没有进展，均耐受良好。有半数患者出现治疗后短暂发热，这可能与支气管镜检查有关，但不能排除细胞治疗可能导致这种轻微副作用的可能性。

　　人类脐带间充质干细胞(HUC-MSCs)具有增殖和分化快、免疫原性低、可无创性收集等优点，其治疗越来越受到重视，为了评估HUC-MSCs治疗IPF的安全性及有效性，Zhang等[33]将异体HUC-MSCs静脉输注给1例重度特发性肺纤维化患者，随访12个月，未观察到不良事件，患者临床状况良好，生活质量有所提高，肺功能、6MWD和CT纤维化评分均较基线增加，肺纤维化面积较基线水平降低，该研究结果表明HUC-MSCs能够减轻纤维化进程。

　　四、MSCs用于IPF的挑战与展望

　　临床MSCs的应用中仍存在许多问题有待解决，如MSC的zui佳来源，zui佳给药途径，给药次数和时间，以及适当的给药间隔，另外MSCs干预可能会促进肿瘤生长和转移、引起IPF恶化，这需要引起我们的注意[34]。为了更好地应用于临床，干细胞治疗未来的一个方向是进行基因修饰然后靶向输送到受损的肺组织，因此，寻找合适的特异性干细胞群体用于气道基因治疗，以及合适的基因载体提供持续表达是一个挑战。如何通过改变宿主免疫系统对基因载体的反应，使其在患者中耐受仍需深入的研究。干细胞治疗的另一个方向是利用细胞因子对靶细胞的作用来改进细胞治疗，这在很大程度上取决于细胞因子和信号分子对干细胞的功效。因此，有效的细胞疗法在很大程度上依赖于为细胞治疗确定合适的细胞因子[35]。

　　参考文献(略)

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