干細(xì)胞與肺的損傷和修復(fù)的最新研究

李雪 吳曉梅

干細(xì)胞與肺的損傷和修復(fù)的最新研究

李雪 吳曉梅

肺臟組織結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，包括多種分化成熟的上皮細(xì)胞、兩套血液系統(tǒng)、兩種分化成熟的平滑肌組織及獨(dú)立的免疫系統(tǒng)。由于肺臟結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所以我們對(duì)肺臟的損傷及其修復(fù)機(jī)制的了解是有限的，世系追蹤法和細(xì)胞標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，讓我們更多的認(rèn)識(shí)了不同的肺干細(xì)胞。關(guān)于肺干細(xì)胞的研究主要側(cè)重于上皮細(xì)胞的研究，目前還沒有證據(jù)證明在肺臟損傷及其修復(fù)過程中，一個(gè)單一的肺干細(xì)胞能夠像血液系統(tǒng)中祖細(xì)胞那樣分化成不同的細(xì)胞系。研究證實(shí)不同部位的肺上皮細(xì)胞是由相應(yīng)解剖部位的肺干細(xì)胞分化而來，雖然肺間質(zhì)祖細(xì)胞在小鼠胚胎組織研究中也具有解剖局限性[1]，但在成熟的肺臟組織中是否具有同樣局限性，目前研究還未證實(shí)。研究發(fā)現(xiàn)，從肺臟近端氣管遠(yuǎn)端到肺泡，至少有40種不同表型的細(xì)胞，由此可見肺組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。越來越多的研究熱衷于肺干細(xì)胞，是基于探究肺干細(xì)胞在肺臟受損修復(fù)過程中的作用。

肺干細(xì)胞

一、氣管和近端支氣管干細(xì)胞

小鼠的氣管和主支氣管表面是由假復(fù)層纖毛柱狀上皮覆蓋，假復(fù)層纖毛柱狀上皮包括基底細(xì)胞和三種不同類型的腔細(xì)胞(纖毛細(xì)胞、棒狀細(xì)胞、刷細(xì)胞及神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞)?；准?xì)胞高表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子Trp63和細(xì)胞角蛋白5,14(Krt5/14)及水通道蛋白3。在一些活體的世系追蹤試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)基底細(xì)胞是由許多不同的干細(xì)胞組成，是肺部許多其他細(xì)胞的前體細(xì)胞[2],并且在穩(wěn)態(tài)時(shí)分化成不同的腔細(xì)胞，而在肺臟修復(fù)過程中分化成不同的上皮細(xì)胞[3]。研究表明在氣管受到損傷時(shí)棒狀細(xì)胞可以分化成纖毛細(xì)胞[4]，可以說棒狀細(xì)胞在細(xì)胞系中是位于基底細(xì)胞和纖毛細(xì)胞之間的一種中間態(tài)細(xì)胞。在實(shí)驗(yàn)研究中，人為去除Krt5的基底細(xì)胞，則發(fā)現(xiàn)一種已分化的棒狀細(xì)胞會(huì)發(fā)生去分化，補(bǔ)充被去除Krt5+的基底細(xì)胞，并且擁有與原基底細(xì)胞相同的增殖分化能力[5]。這證明了氣道上皮細(xì)胞的可塑性，同時(shí)也說明了在氣道損傷修復(fù)過程中，不同細(xì)胞表型的氣道上皮干細(xì)胞之間可以相互轉(zhuǎn)化。

二、遠(yuǎn)端氣道干細(xì)胞

研究發(fā)現(xiàn)小鼠的遠(yuǎn)端氣道表皮是由單層纖毛細(xì)胞和一些分泌性細(xì)胞構(gòu)成，在人體氣道的遠(yuǎn)端也存在Trp63+/ Krt5+的基底細(xì)胞。纖毛細(xì)胞遍布整個(gè)氣道，并且表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子FOXJ1和細(xì)胞骨架蛋白TUBB4。遠(yuǎn)端氣道也存在神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞(NECs)，其表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子ASCL1和PROX1[6]，與近端氣管支氣管的神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞相比，遠(yuǎn)端氣道的NECs紊亂的排列在上皮細(xì)胞中。分泌細(xì)胞也被稱作棒狀細(xì)胞，能夠特異性的表達(dá)SCGB1A1。最近研究數(shù)據(jù)表明，在肺臟的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中，棒狀細(xì)胞通過NOTCH2受體與纖毛細(xì)胞的JAG1和JAG2相互作用，在實(shí)驗(yàn)小鼠的大氣道及小氣道中，若這一信號(hào)軸被破壞，將會(huì)導(dǎo)致大量的纖毛細(xì)胞取代棒狀細(xì)胞，同時(shí)在患有哮喘的小鼠模型中，這一信號(hào)軸的破壞會(huì)逆轉(zhuǎn)杯狀細(xì)胞的化生[7]。許多關(guān)于氣道遠(yuǎn)端上皮修復(fù)的研究數(shù)據(jù)來源于特異性萘標(biāo)記的棒狀細(xì)胞，將棒狀細(xì)胞暴露于萘毒素中，將會(huì)導(dǎo)致大量杯狀細(xì)胞損傷和脫落等一系列損傷反應(yīng)。然而，還存在一種棒狀細(xì)胞亞型，特征性的缺失細(xì)胞色素P450家族成員中的CYP2F2，其可以抵抗萘毒素的損傷。這種細(xì)胞亞型分布于神經(jīng)內(nèi)分泌小體和肺泡導(dǎo)管連接處，并特異性的轉(zhuǎn)化成棒狀細(xì)胞，這位于神經(jīng)內(nèi)分泌小體附近的棒狀細(xì)胞轉(zhuǎn)化體能夠特異性的表達(dá)UPK3A[8]。通過世系追蹤法研究發(fā)現(xiàn)， SCGB1A1+/CYP2F2棒狀細(xì)胞經(jīng)萘毒素?fù)p傷后可以通過自我修復(fù)和分化成纖毛細(xì)胞和CYP2F2棒狀細(xì)胞,進(jìn)而來修復(fù)損傷的上皮細(xì)胞，這表明在小氣道損傷中，轉(zhuǎn)化體棒狀細(xì)胞作為上皮細(xì)胞的祖細(xì)胞參與修復(fù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，在小氣道上皮的損傷中，神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞的缺失并不總影響轉(zhuǎn)化體棒狀細(xì)胞參與上皮細(xì)胞的損傷修復(fù)[9]。在實(shí)驗(yàn)中，在小鼠出生后，人為去除棒狀細(xì)胞的組蛋白脫乙?；?和組蛋白脫乙?；?，將會(huì)導(dǎo)致棒狀細(xì)胞的增殖減少和上皮細(xì)胞的持續(xù)性損失，這表明在小氣道上皮的再生和經(jīng)萘毒素?fù)p傷后的修復(fù)過程中，組蛋白脫乙?；?和組蛋白脫乙?；?發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[10]。在上氣道表型細(xì)胞的可塑性研究中，通過世系追蹤法研究表明，在遠(yuǎn)端氣道上皮細(xì)胞的損傷中，神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞(NCEs)也可以分化成棒狀細(xì)胞，但是他莫昔芬藥物會(huì)影響此實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]。

三、肺泡導(dǎo)管連接處干細(xì)胞

終末細(xì)支氣管和肺泡的過渡區(qū)域被成為肺泡導(dǎo)管鏈接處，此處存在一種細(xì)胞被稱作支氣管肺泡干細(xì)胞(BASCs)，其共同表達(dá)Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞(AEC2s)標(biāo)記物SCGB1A1和SFTPC，并能夠特異性表達(dá)Clara細(xì)胞特異性蛋白(CCSP)和肺表面活性物質(zhì)相關(guān)蛋白(SP-C)，BASCs在上皮損傷修復(fù)期間增殖，在體外培養(yǎng)可形成細(xì)胞克隆，具有自我復(fù)制和定向分化的能力。在基于大量的活體小鼠氣道上皮細(xì)胞更新的研究中，BASCs可以抵抗細(xì)支氣管和肺泡的損傷，并可以增殖分化為上皮細(xì)胞，這表明對(duì)于小氣道和肺泡上皮而言，BASCs是具有干細(xì)胞增殖分化能力的[11]。

四、肺泡上皮細(xì)胞

肺泡上皮細(xì)胞主要分為I型(AEC1)和Ⅱ型(AEC2)肺泡上皮細(xì)胞。AEC1約占肺泡表面的95%，主要參與氣體的交換，細(xì)胞表面特異性表達(dá)水通道蛋白5。最近一項(xiàng)研究表明，一小部分特異性表達(dá)HOPX的I型肺泡上皮細(xì)胞在局部肺切除后，能夠分化增殖為Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞[12]。Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞(AEC2)鑲嵌于I型肺泡上皮細(xì)胞中，并可以分泌肺泡表面活性物質(zhì)，細(xì)胞表面特異性表達(dá)SFTPC和LYZ2。Barkauskas 等人研究發(fā)現(xiàn)，在肺的穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，成熟小鼠肺臟的AEC2作為一種祖細(xì)胞，可以分化成I型和Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞[13]。在高氧、博來霉素?fù)p傷及人為去除AEC2后，細(xì)胞的增殖加速，并且一小部分AEC2可以分化成AEC1[12、14]。在損傷后，多種信號(hào)分子參與AEC2的增殖與調(diào)控，如：表皮生長(zhǎng)因子和癌基因Kras。最新研究發(fā)現(xiàn)，在遠(yuǎn)端氣道存在另一種肺干細(xì)胞，例如，一種整合素蛋白a6b4+SFTPC-的肺泡干細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)，并且被認(rèn)為在肺泡上皮的損傷修復(fù)中發(fā)揮重要作用[15]。在小鼠流感病毒感染后，遠(yuǎn)端氣道干細(xì)胞立即增殖參與損傷修復(fù)，這些遠(yuǎn)端氣道干細(xì)胞可以表達(dá)基底細(xì)胞標(biāo)記Trp63和Krt5，并且在損傷后可以分化成不同的肺泡細(xì)胞和細(xì)支氣管上皮細(xì)胞[16]。

五、成纖維細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞

目前尚無明確的定義來界定成纖維細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞，兩種細(xì)胞的外形相似，并且均來自于間葉細(xì)胞。氣道損傷后，肌成纖維細(xì)胞是組織連接蛋白的主要來源，并且在肺纖維化中的致病作用越來越受到人們的重視。有研究證明肺肌成纖維細(xì)胞是來源于血管周圍間葉組織干細(xì)胞，生長(zhǎng)因子-β、Wnt/β-catenin信號(hào)通路，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)等在肺纖維化這一病理過程中起重要的推動(dòng)作用[17]。遠(yuǎn)端肺臟纖維化源于局部遭受一系列的反復(fù)性損傷所致，這些持續(xù)性損傷會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)血管周圍成纖維細(xì)胞的Wnt/β-catenin信號(hào)通路、Notch通路被激活，進(jìn)而發(fā)生成纖維細(xì)胞與肌成纖維細(xì)胞間的相互轉(zhuǎn)化，促使肺纖維化這一病理過程的進(jìn)展[18]。

六、間充質(zhì)干細(xì)胞

Friedenstein首次發(fā)現(xiàn)在骨髓里存在一種不純一的細(xì)胞群體，這種細(xì)胞在體外培養(yǎng)時(shí)貼壁生長(zhǎng)，形態(tài)和成纖維細(xì)胞相似，呈克隆性增殖，并提出“髓間充質(zhì)干細(xì)胞”(mesenchymal stem cells MSC)的概念[18]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)是骨髓來源的造血干細(xì)胞以外的另一種成體干細(xì)胞，具有自我更新能力和多向分化潛能，因此，MSC被認(rèn)為是一種理想的外源性修復(fù)種子細(xì)胞。間充質(zhì)干細(xì)胞可以從多種器官的間質(zhì)組織中分離出來，比如：骨髓組織、肌肉組織、骨膜、 脂肪組織、皮膚及肺臟等。

干細(xì)胞治療肺部疾病的臨床進(jìn)展

2014年Matthay等開展了針對(duì)人體間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)治療ARDS安全性的Ⅰ期臨床試驗(yàn)，將為MSCs應(yīng)用于臨床治療ARDS提供可靠依據(jù)[19]。在動(dòng)物模型中，MSCs通過免疫調(diào)節(jié)、旁分泌機(jī)制在急性肺損傷、支氣管哮喘、先天性支氣管肺發(fā)育不良、慢性阻塞性肺疾病、呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷及其他肺部疾病中發(fā)揮治療作用[20]。2013年Weiss等人開展的一項(xiàng)Ⅱ期臨床試驗(yàn)證明，注射MSCs后，可以明顯降低慢阻肺患者血清中的C反應(yīng)蛋白(CRP)等炎性介質(zhì)水平，證明MSCs具有抑制慢阻肺患者體內(nèi)過度炎癥反應(yīng)的作用，一項(xiàng)最近研究已經(jīng)證實(shí)了MSCs用于治療慢阻肺的安全性[21]。

干細(xì)胞在肺再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

由Jackson實(shí)驗(yàn)室的Frank Mckeon博士和Wa Xian博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組研究發(fā)現(xiàn)：肺干細(xì)胞在疾病損傷后肺臟的再生過程中發(fā)揮重要作用。這項(xiàng)發(fā)表在《Nature》雜志上的研究闡明了肺臟再生新興概念的內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制。Mckeon說：“生物醫(yī)學(xué)研究界一直遲遲未接受肺臟可以再生這一觀點(diǎn)，其部分原因在于人們看到罹患慢阻肺和肺纖維化等嚴(yán)重疾病的患者中肺功能在進(jìn)行性的衰退[16]?！?肺移植是治愈支氣管哮喘、BDP、慢阻肺和IPF等疾病的唯一治療方法，然而移植供體的嚴(yán)重短缺和移植后免疫排斥反應(yīng)，大大限制了肺移植的臨床應(yīng)用。2013年Huan運(yùn)用IPS技術(shù)將人體皮膚細(xì)胞誘導(dǎo)成多功能干細(xì)胞 再誘導(dǎo)其分化出6種肺和氣道上皮細(xì)胞，包括基底上皮細(xì)胞 、杯狀上皮細(xì)胞 、Clara上皮細(xì)胞 纖毛上皮細(xì)胞及I型和Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞 其中90%的分化細(xì)胞產(chǎn)生了6種細(xì)胞的表面標(biāo)記分子， 誘導(dǎo)分化效率極高。此外，分化得到的Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞具有攝取表面活性蛋白-β的能力,且在刺激下能分泌表面活性物質(zhì),直接提供了分化細(xì)胞具有特定功能的證據(jù)[22]。此成果將在工程肺構(gòu)建臨床肺部疾病模型的建立、藥物篩選和肺發(fā)育研究領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

結(jié) 論

肺干細(xì)胞研究尚處于初級(jí)階段，很多問題尚未明確。由于肺部結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性及肺臟上皮細(xì)胞較低的更新率，目前還未找到鑒定肺干細(xì)胞組織的特異性因子，這使肺干細(xì)胞的研究面臨較大的困難。對(duì)于進(jìn)一步明確肺部有關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制以及移植過程中可能會(huì)出現(xiàn)的免疫排斥等問題仍有待于進(jìn)一步探索研究。面對(duì)肺干細(xì)胞研究所存在的困難，需要通過創(chuàng)新研究思路和技術(shù)方法來更深入的揭示肺干細(xì)胞在肺臟發(fā)育生長(zhǎng)、損傷、疾病中的機(jī)理，為肺部疾病的治療奠定更好的基礎(chǔ)。

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10.3969/j.issn.1009-6663.2017.04.042

150086 黑龍江 哈爾濱，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院呼吸科

吳曉梅 ，E-mail：wuxiaomeihx@163.com

2016-11-03]