自體脂肪間充質干細胞治療放射性肺損傷的應用前景及研究進展

蔣鑫萍，姜 新，王 瑜，曲雅勤，劉擁軍

（吉林大學第一醫(yī)院腫瘤放療科，吉林 長春 130021）

放射性肺損傷 （radiation－induced lung injury，RILI）是胸部腫瘤接受放射治療時不可避免的主要并發(fā)癥之一。所有接受胸部放療的患者中，5%～10%會出現(xiàn)不同程度的肺損傷。RILI主要包括早期間質性肺炎和晚期肺纖維化；若纖維化一旦形成，便不可逆轉，導致呼吸衰竭危及生命［1］。目前對RILI的治療僅限于應用糖皮質激素、抗生素及免疫抑制劑等，暫時緩解癥狀，臨床上仍缺乏治療該病的有效方法。干細胞移植是治療人體各種疾病最有前景的手段之一。早在2001年，Zuk等［2］首次從脂肪組織中成功分離出干細胞，即脂肪間充質干細胞 （adipose－derived mesenchymal stem cells，AD－MSCs），其是具有多向分化潛能的多能干細胞，來源充足、取材方便，且對機體創(chuàng)傷性??；抗炎性及免疫調節(jié)能力更強；可行自體移植治療且無道德倫理爭議等，AD－MSCs已經(jīng)成為干細胞領域的研究新熱點，在醫(yī)學領域中呈現(xiàn)出廣闊應用前景。AD－MSCs憑借自身多種優(yōu)勢廣泛應用于各種臨床損傷修復和免疫系統(tǒng)疾病的治療［3］，但目前未見有關AD－MSCs治療RILI的研究報道，因此本文作者從國內外關注的熱點著手，對干細胞修復肺損傷的相關研究進行回顧，并對自體AD－MSCs治療RILI的應用前景及研究進展做一綜述展望，為臨床治療RILI提供一個有效安全的新療法。

1 RILI發(fā)病機制

RILI的病理改變是一個組織損傷及損傷后的修復過程，從損傷應激性炎癥反應演變到肺組織結構的修復重建。目前研究［4－5］認為：RILI的發(fā)生發(fā)展是由多種細胞參與和多種細胞因子共同調控的復雜過程。電離輻射誘導組織細胞產生大量活性氧物質 （reactive oxygen species，ROS）作用于肺泡巨噬細胞、血管內皮細胞、肺泡上皮細胞及成纖維細胞等，使其分泌大量炎性細胞因子、趨化因子和促纖維化生長因子，最終形成一個動態(tài)的細胞因子級聯(lián)瀑布效應。與RILI發(fā)生相關的細胞因子主要可以分成兩大類：一類是參與局部損傷炎癥因子，如腫瘤壞死因子α（TNF－α）、白細胞介素1（IL－1）和干擾素γ（IFN－γ）等；另一類是參與器官組織修復的纖維化因子，如轉化生長因子β1（TGF－β1）、表皮生長因子 （EGF）和血管內皮生長因子（VEGF）等。國內外研究［6－7］證實：TGF－β1與放射性肺纖維化發(fā)生和形成關系最密切，可以作為RILI的危險預測因子，被普遍認為是RILI發(fā)生的主要機制之一。TGF－β1可抑制細胞生長，有抗炎及保持細胞外基質 （ECM）穩(wěn)定的作用。在放射線導致肺損傷過程中，成纖維細胞、肺巨噬細胞及肺泡上皮細胞被認為是TGF－β1作用的主要靶點。TGF－β1作為一種強有力的促成纖維細胞分裂因子，可促進成纖維細胞的分裂增殖及其成熟分化，促進膠原蛋白、黏蛋白等ECM成分的基因轉錄及蛋白合成，同時通過抑制蛋白酶的合成來阻止基質蛋白的降解。TGF－β1也是一種重要的化學趨化因子，可趨化肺泡巨噬細胞、中性粒細胞及淋巴細胞參與炎性反應。TGF－β1還可通過Smad信號通路誘導肺上皮細胞發(fā)生間質轉化 （EMT），加速肺纖維化［8］。RILI不是單一因素導致的疾病，而是以射線損傷為誘導因素，多種細胞及因子共同參與、相互作用和綜合調控的復雜過程。

2 間充質干細胞 （MSCs）修復肺損傷機制

干細胞主要通過調節(jié)炎癥反應和修復損傷的肺上皮細胞和血管內皮細胞發(fā)揮作用，可概括為兩方面：抗炎、免疫調節(jié)作用和損傷修復作用。

2.1 抗炎和免疫調控作用 干細胞移植能夠調節(jié)肺部及全身的免疫炎癥反應，MSCs可通過直接或間接接觸的方式抑制樹突細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞和自然殺傷細胞的活化，減少促炎因子TNF－α和IFN－γ的釋放，增加抗炎因子白細胞介素 （IL－10、IL－4）的分泌［9］。Gupta等［10］在脂多糖 （LPS）誘導的急性肺損傷模型中證實：MSCs移植可下調肺泡及血漿中的促炎因子TNF－α和巨噬細胞炎性蛋白－2 （MIP－2）水平，增加抗炎因子IL－10水平，且IL－13和IL－1受體拮抗劑 （IL－Ira）也有所上升，從而調節(jié)促炎與抗炎的平衡。另外，Li等［11］在博萊霉素誘導的肺損傷模型研究中發(fā)現(xiàn)：小鼠肺組織中IL－2、IL－4和IFN－γmRNA表達減少，炎癥反應程度降低。Rojas等［12］研究還證實：MSCs能分泌前列腺激素2和IL－10等因子，調節(jié)血液中巨噬細胞的數(shù)量，減輕肺水腫及肺部感染，并能減少血漿中促炎因子的水平，從而降低敗血癥小鼠的死亡率。MSCs分泌大量促血管新生細胞因子，如肝細胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF）和VEGF等，增加肺組織血管及腺泡的生成和修復，從而改善肺組織的血流灌注和換氣功能［13－14］。研究［15］顯示：在高流量吸氧造成新生小鼠肺損傷模型中，移植MSCs后能旁分泌血管生成素1，從而發(fā)揮恢復血管內皮通透性，減輕肺部損傷及肺水腫的作用。有研究利用MSCs分泌活性細胞因子來抑制細胞凋亡，劉紅梅等［16］發(fā)現(xiàn)：MSCs移植后抑制肺氣腫肺泡壁細胞凋亡，同時肺組織中Bcl－2表達增加，Bax蛋白表達減少。研究［16］顯示：移植的MSCs可能通過分泌活性細胞因子，上調Bcl－2，下調Bax表達，進而抑制細胞凋亡。抑制凋亡的機制可能通過調整細胞凋亡基因表達，分泌抗凋亡和促進增殖分化細胞因子，加強細胞修復和促進增殖實現(xiàn)。因此，MSCs移植在肺損傷動物模型中具有抗炎作用和免疫調節(jié)功能，多種活性細胞因子可通過旁分泌與自分泌作用，促使肺組織血管再生和內皮細胞重塑。

2.2 分化修復作用 MSCs通過趨化作用到達肺損傷部位，可直接或間接分化為原有細胞替代損傷細胞。MSCs有向損傷組織歸巢的特性，損傷作為MSCs激活劑，使MSCs向損傷部位遷移而發(fā)揮修復作用［17－18］。受損部位的肺組織釋放一系列趨化細胞因子，如基質細胞衍生因子1（SDF－1）和血小板衍生生長因子等，這些細胞因子與損傷部位表達的特異性受體相結合，使細胞發(fā)生遷移并黏附于受損部位。已有研究［19］證實：MSCs在肺損傷狀態(tài)下向肺部移行并表現(xiàn)出肺上皮細胞的表型。Ortiz等［20］在博萊霉素誘導的肺損傷模型實驗中，采用RT－PCR定量檢測發(fā)現(xiàn)：外源性的MSCs在肺損傷部位數(shù)量與對照組相比增加23倍。MSCs可以補充肺內干細胞池，產生肺組織的分化細胞而修復肺組織損傷。Wang等［21］報道：小鼠肺組織來源 MSCs在體外能夠被誘導分化為表達表面活性蛋白C的肺泡Ⅱ型上皮樣細胞。Rojas等［12］在研究博來霉素誘導的小鼠肺損傷模型中發(fā)現(xiàn)：損傷肺分泌的可溶性因子能引起骨髓間充質干細胞 （BMSCs）數(shù)量增加，并向損傷肺組織遷移，替代損傷的肺細胞。由此可見：MSCs有顯著向受損部位歸巢作用，外源性的MSCs在受損肺組織內可分化為肺上皮細胞、肺間質細胞及肺血管內皮細胞等。

3 AD－MSCs生物學特性及臨床應用優(yōu)勢

AD－MSCs是一群具有多向分化潛能的多能干細胞。AD－MSCs完全滿足國際干細胞和組織干細胞協(xié)會提出人類MSCs定義［22］：① 在標準的培養(yǎng)條件下可以貼附塑料制品的瓶壁生長；② 有多向分化的潛能，可以向成脂細胞和成骨細胞等方向分化；③ 表達CD105、CD73和CD90；④ 不表達造血細胞的標記，如CD45、CD14、CD34和CD19等，也不表達人類白細胞抗原HLA－DR。AD－MSCs不僅能夠向成脂細胞、成骨細胞、成軟骨細胞和成肌細胞分化，還可向骨骼肌細胞、心肌細胞、神經(jīng)細胞、胰島細胞及肝細胞等分化，可用于組織器官修復與替代［23］；AD－MSCs可促進血管新生，改善局部組織缺血，可用于治療急性心肌梗死、缺血性心肌病、缺血性腦病和腎小管壞死等缺血性疾?。籄D－MSCs還具有抗炎及免疫調節(jié)特性，用于移植物抗宿主病、風濕性關節(jié)炎、炎性腸病和肝纖維化等治療［24－25］。近年來，已有研究［21］顯示：干細胞對RILI模型有良好修復作用，而AD－MSCs作為干細胞家族中最理想的種子細胞，對RILI治療有著廣闊的應用前景。

有關BMSCs、AD－MSCs和臍帶血 MSCs的比較研究［26］顯 示： 脂 肪 干 細 胞 （adipose－derived stem cells，ADSCs）在形態(tài)、免疫表型、分離的成功率、克隆頻率以及分化能力方面無區(qū)別，AD－MSCs具有與BMSCs相同的免疫抑制特性及分化潛能，且AD－MSCs在培養(yǎng)過程中的克隆頻率和增殖能力優(yōu)于BMSCs。然而AD－MSCs與骨髓臍帶等其他干細胞相比還具有以下顯著優(yōu)勢：① 取材容易，損傷較小，減輕患者痛苦且避免引起道德爭論；② 從患者本身來源的細胞進行自體移植，可以克服免疫排斥情況；③ 體外增殖速度塊，不必進行永生化處理即可獲得足量的細胞來源用于移植；④ 在體外適當條件可導入外源基因，作為基因治療的目的基因載體。

目前應用臨床治療的干細胞多來源于成體，臨床推廣限制相對較小。臍帶血源性干細胞的數(shù)量有限，同時獲得兩份或以上相同基因的臍帶血源性干細胞十分困難；骨髓源性干細胞的數(shù)量相對可觀，但提取過程受到一定限制，且會對患者或捐獻者帶來傷害和痛苦；外周血源性干細胞的提取需要注射動員藥物，這可能引起全身的不良反應，而且獲取的細胞數(shù)量也有限。胚胎干細胞受到倫理原則的嚴格限制，在臨床推廣極為困難；誘導性多功能干細胞（induced pluripotent stem cell，iPS）目前處于起始階段，臨床推廣應用還不具有可行性。但ADSCs獲取相對容易，可以從人的腹部等部位獲取大量相同基因的干細胞，對患者的不良傷害極少。而且ADSCs免疫原性弱，減少了異體移植后的不良反應，臨床的開展和推廣價值極大，前景廣闊。

4 MSCs治療肺損傷的研究現(xiàn)狀及存在問題

關于MSCs修復肺損傷的研究多數(shù)集中在基礎性實驗階段，且肺損傷模型主要集中在博萊霉素、脂多糖、內毒素及射線等誘導的動物模型［27］。研究［20－21，28－31］表明：MSCs在肺損傷修復過程中發(fā)揮重要作用，2003年Ortiz等［20］首次發(fā)現(xiàn)尾靜脈注射BMSCs能明顯減輕博來霉素誘導的特發(fā)性肺纖維化損傷。2007年Mei等［28］研究發(fā)現(xiàn)：MSCs可減輕內毒素誘導的急性肺損傷。隨后，2009年Moodley等［29］實驗研究發(fā)現(xiàn)：臍帶MSCs對博萊霉素引起的小鼠肺損傷有治療作用。同年，Kursova等［30］發(fā)現(xiàn)：應用自體BMSCs可降低RILI模型C57／6L小鼠的死亡率，且臨床試驗顯示：自體BMSCs移植延緩胸部放療致11例放射性肺纖維化患者肺損傷加重的進程，且長期隨訪并未發(fā)現(xiàn)MSCs造成潛在腫瘤的發(fā)展。2011年劉偉等［31］研究發(fā)現(xiàn)：肺內MSCs可減輕放射誘導的急性肺炎。2013年 Wang等［21］通過 HGF基因修飾BMSCs可明顯降低射線引起的小鼠肺纖維化。這些研究結果提示：MSCs在治療肺損傷中有著良好的修復效果，并為臨床應用MSCs移植治療肺損傷奠定基礎。

在MSCs治療肺損傷研究［32］中還發(fā)現(xiàn)：MSCs移植途徑、移植時間、移植數(shù)量及移植次數(shù)等治療方案的選擇可影響治療肺損傷的效果。研究［20－21］表明：在急性肺損傷后靜脈途徑給藥是較氣管內給藥更好的給藥方式。肺損傷過程中還存在其他氣管的損傷，經(jīng)靜脈全身給藥不僅可以使MSCs到達損傷的肺部使肺組織得到修復，還能進入其他的損傷器官及繼發(fā)性的損傷氣管，使其得到修復。給藥時間選擇也是影響肺損傷治療效果的重要因素之一，Ortiz等［21］研究發(fā)現(xiàn)：BMSCs在肺損傷早期遷移進入，可以明顯減輕肺纖維化；而MSCs在中期和晚期植入后則參與到纖維化進程。肺受照射4h后輸注MSCs會有明顯的上皮細胞或血管內皮細胞植入，隨后時間輸入會使移植的MSCs作為間質細胞參與纖維化的形成。研究［33－35］表明：BMSCs可以定植于損傷的肺組織，并能有效阻止博來霉素誘導的大鼠肺纖維化，早期治療效果優(yōu)于晚期。MSCs在小鼠肺組織受到損傷后立即植入體內可以向各種肺功能細胞分化，然而這種干細胞的分化趨向的巨大差異可能受到以TGF－β為首的細胞因子等體內微環(huán)境的影響和引導。這提示博來霉素或反射誘導急性肺損傷的早期是MSCs治療的特異窗口期。另外，機體的免疫狀態(tài)對MSCs的植入也可能存在影響。Rojas等［12］發(fā)現(xiàn)：經(jīng)白消安誘導免疫抑制的博來霉素肺損傷模型組的肺組織比無免疫抑制對照組所含骨髓數(shù)量明顯增多。認為可能是免疫抑制減少了內源性循環(huán)干細胞，從而使更多的外源性干細胞轉化以修復組織，提示內源性循環(huán)干細胞可能向損傷肺組織聚集參與修復。

5 結 語

目前MSCs治療肺損傷在動物模型研究中已經(jīng)取得可喜進展，MSCs以自身強大生物學功能來改善肺損傷。AD－MSCs憑借自身優(yōu)勢，即方便用于自體移植，解決移植排斥反應和道德倫理問題，從根本上解決安全性問題。現(xiàn)階段MSCs治療肺損傷研究大多基于動物模型，能否真實反映人體內環(huán)境還是未知，隨著研究的不斷深入，相信問題總會得到解決。總之，自體AD－MSCs移植在治療RILI方面定會有潛在廣闊臨床應用前景。

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