臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞治療核輻射傷的技術(shù)研究

高 萌，王前虹，郭德鑌，潘興華

作者單位：510500廣州，南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院(高 萌)；解放成920醫(yī)院細(xì)胞生物治療中心,干細(xì)胞與免疫細(xì)胞生物醫(yī)藥技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，云南省細(xì)胞治療技術(shù)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)重點實驗室，云南省干細(xì)胞工程實驗室，昆明醫(yī)科大學(xué)昆明總醫(yī)院臨床學(xué)院(郭德鑌，潘興華)；解放軍32603部隊（王前虹）

核輻射傷主要通過電離輻射造成遺傳基因、生物大分子結(jié)構(gòu)破壞和組織細(xì)胞變性、壞死，從而引起組織器官功能障礙。人們對核輻射傷的發(fā)生、發(fā)展機制已經(jīng)解析的比較透徹，但尚沒有找到理想的治療辦法[1]。筆者研究室對人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（UCMSC）注射液治療輻射傷進行了系統(tǒng)的療效、機制和安全性研究，證實UCMSC可通過定植分化、分泌細(xì)胞因子和外分泌體等機制促進核輻射傷導(dǎo)致的基因和蛋白分子損傷修復(fù)、抑制炎癥、減少組織細(xì)胞死亡、改善血液循環(huán)、提高抗氧化應(yīng)激能力等促進損傷修復(fù)[2]。

1 核輻射傷的危害及損傷特點

核輻射傷是嚴(yán)重威脅人類生命的核危害之一，在戰(zhàn)爭發(fā)展到極限程度時，使用核武器是扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)局的可能選擇，例如第二次世界大戰(zhàn)末期美國向日本長崎、廣島投放原子彈，當(dāng)日造成10萬人死亡，之后導(dǎo)致40萬人死于核輻射傷誘發(fā)的癌癥等。在和平時期，核泄露事件常有發(fā)生，核動力、核電廠、核反應(yīng)堆等大型核設(shè)施發(fā)生意外事故，可能造成大批人員遭受核輻射損傷及嚴(yán)重污染環(huán)境，對公眾健康造成危害，如1986年的切爾諾貝核電站爆炸事件波及人口320萬，之后10年有30萬人死于核輻射誘發(fā)的疾病，歐洲有3/4的土地受到放射性污染；2011年的日本福島核泄漏事件中，有80%以上放射性物質(zhì)進入海洋，給大氣和海洋環(huán)境造成了災(zāi)難性后果，已有關(guān)于救援人員患白血病、污染區(qū)域甲狀腺癌發(fā)病率上升及對動物遺傳威脅的報道。此外，核恐怖襲擊是恐怖組織威脅人類生命的重要方法之一。

核輻射傷的特點是損傷廣泛,臨床表現(xiàn)復(fù)雜，造成造血功能障礙、出血和感染，涉及基因斷裂、突變，大分子功能蛋白的破壞、細(xì)胞水平的損傷、組織器官水平的結(jié)構(gòu)破壞等，常規(guī)的藥物治療作用微乎其微。急性輻射傷的特征是造血和免疫抑制、貧血和血小板減少。核輻射傷主要由于輻射能量導(dǎo)致機體內(nèi)生物大分子化學(xué)鍵斷裂，自由基等活性物質(zhì)大量生成，造成組織細(xì)胞不可逆損害[3]。長期超劑量的照射，可引起慢性皮膚損傷、造血障礙、白內(nèi)障等。常見的輻射傷以外照射為主，其發(fā)生、發(fā)展水平?jīng)Q定于電離輻射的性質(zhì)、照射劑量、時間及受照射的身體面積等。在劑量低于1 Gy時，可出現(xiàn)頭暈、乏力、食欲下降等輕微癥狀。劑量在1～10 Gy時，以造血系統(tǒng)損傷為主；劑量在10～50 Gy時，出現(xiàn)以消化道為主的癥狀，若不經(jīng)治療，在2 w內(nèi) 100%死亡；輻射劑量＞50 Gy時，出現(xiàn)腦損傷，一般在2 d內(nèi)死亡。人體各組織對核輻射的敏感順序[4]：（1）高敏組織：骨髓、胸腺、胃腸、性腺、胚胎等，胚胎和胎兒輻射傷可使死胎、畸形、新生兒死亡、白血病和惡性腫瘤的發(fā)生率升高；（2）中敏組織：角膜、晶狀體、結(jié)膜、血管、淋巴管、血竇、皮膚等；（3）低敏組織：中樞神經(jīng)、性腺以外的內(nèi)分泌腺等；（4）敏感最差組織：肌肉、軟骨、骨和結(jié)締組織等，成人核輻射傷后易患惡性腫瘤，發(fā)病率隨劑量增加而增高，可導(dǎo)致晶體渾濁、白內(nèi)障、生殖腺受損。

2 UCMSC治療核輻射傷的原理

核輻射傷主要由α、β、γ、X射線和中子等電離輻射引起物質(zhì)電離所致，可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)染色體損傷，表現(xiàn)為基因斷裂、堿基序列錯配、缺失等，一定程度的損傷可以通過啟動體內(nèi)的損傷修復(fù)機制得以修復(fù)，但輻射能量超過人體的修復(fù)代償能力時，則可導(dǎo)致隨機性的基因突變[5]。大劑量的電離輻射還可造成細(xì)胞內(nèi)蛋白分子的化學(xué)鍵斷裂和結(jié)構(gòu)破壞，從而引起細(xì)胞功能變化。核輻射可引起染色體畸變、細(xì)胞分裂能力下降和變性、壞死。分裂活動越活躍的細(xì)胞對核輻射的敏感性越高，如生殖細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、造血細(xì)胞等[6]。分裂活動越不活躍的細(xì)胞，對核輻射的敏感性越差，如神經(jīng)細(xì)胞、骨細(xì)胞等。由于細(xì)胞是維持體人結(jié)構(gòu)與功能正常的基本單元，核輻射傷的治療關(guān)鍵是設(shè)法修復(fù)受損的基因、蛋白分子，保護和再生組織細(xì)胞。從理論上講，UCMSC治療核輻射傷是一種完美的策略，它可通過直接參與分泌細(xì)胞因子、外泌體等，在遺傳、分子和細(xì)胞水平修復(fù)輻射損傷，更新、補充受損組織中的壞死細(xì)胞。UCMSC治療核輻射傷的原理和作用[7]：（1）受輻射傷組織因子引導(dǎo)向核輻射傷組織遷移、定植和向損傷組織的功能細(xì)胞分化，直接參與輻射傷組織的結(jié)構(gòu)與和功能重建；（2）通過直接接觸和分泌炎癥抑制因子，抑制輻射傷組織的炎癥反應(yīng)，防治炎性繼發(fā)性損傷；（3）動態(tài)分泌多種生長因子和釋放外分泌體，促進損傷組織中的殘存細(xì)胞分裂、增殖，促進損傷修復(fù)；（4）通過分泌細(xì)胞因子而動員內(nèi)源性干細(xì)胞促進損傷組織的細(xì)胞再生；（5）通過遷移、向血管內(nèi)皮細(xì)胞分化和分泌血管生長因子促進損傷組織的血管再生，從而改善損傷組織的血液循環(huán)和代謝功能；（6）通過細(xì)胞因子和外分泌體之作用，提高輻射傷組織細(xì)胞的自噬能力和自我修復(fù)功能，減少細(xì)胞凋亡，抑制組織損傷的發(fā)展；（7）通過細(xì)胞自噬機制及快速啟動HR和NHEJ途徑修復(fù)DNA斷裂雙鍵；（8）通過細(xì)胞間相互作用、旁分泌、抑制炎癥與免疫反應(yīng)等維護造血微環(huán)境穩(wěn)態(tài)，保護與支持造血干細(xì)胞，從而有效修復(fù)造血損傷。UCMSC對核輻射傷發(fā)揮治療作用的機制涉及UCMSC直接參與、分泌細(xì)胞因子和外分泌體促進修復(fù)、調(diào)節(jié)炎癥與免疫等，分別給予UCMSC、UCMSC分泌因子或外分泌體也有一定治療效果，說明UCMSC的療效是多種因素綜合作用的結(jié)果[8]。

3 UCMSC治療核輻射傷的優(yōu)勢

在各種干細(xì)胞中“成藥”性能最強，可以規(guī)?；⒐S化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、儲存和使用。UCMSC的免疫原性較低，同種異體、甚至是異種UICMS治療，無明顯免疫排斥反應(yīng)，無需進行基因配型?？稍诨?、生物大分子、細(xì)胞、組織和器官等不同層次發(fā)揮修復(fù)作用，對急、慢性核輻射傷均有治療意義。在核戰(zhàn)爭或核事故發(fā)生時后出現(xiàn)批量核輻射傷的傷員時，UCMSC可以像戰(zhàn)場急救輸血那樣緊急提供使用。

4 核輻射傷救治中UCMSC的來源

急性核輻射傷通常是瞬間發(fā)生，用于治療的UCMSC應(yīng)來源于提前制備并經(jīng)質(zhì)量檢驗合格后儲存?zhèn)溆玫募?xì)胞庫，對于慢性核輻射治療的UCMSC可以來源于細(xì)胞庫，也可以現(xiàn)制現(xiàn)用。建議軍隊以戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院或軍隊采供血機構(gòu)為基礎(chǔ)，建立軍用UCMSC儲備庫，以備突發(fā)大批量核輻射傷緊急救治使用。因為UCMSC的儲存、運輸需要特殊的環(huán)境條件，可能在復(fù)蘇、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)延遲或差錯而嚴(yán)重影響UCMSC質(zhì)量，建立UCMSC儲備庫還可以節(jié)約成本和時間。對用于慢性核輻射傷治療的UCMSC，可以實驗室現(xiàn)制現(xiàn)用，也可以來源于UCMSC儲存庫，但應(yīng)在使用前進行快速質(zhì)量檢測，以保證療效和安全。

5 UCMSC治療核輻射傷的治療方法

影響UCMSC治療核輻射傷的療效的影響因素主要有UCMSC的來源和質(zhì)量、治療時機、劑量、次數(shù)、傷員接受輻射的劑量、損傷程度及傷員的身體素質(zhì)等，在具體實施過程中，應(yīng)根據(jù)傷情嚴(yán)重程度和損傷位置，綜合考慮并確定治療方案。（1）治療途徑：急性全身性核輻射傷的UCMSC治療通常采用靜脈注射法，對局部核輻射傷也可采用靜脈輸注法，但采用局部定位注射法更精準(zhǔn)、有效，如體表輻射傷可根據(jù)實際采用皮內(nèi)或皮下注射法，對已經(jīng)形成的創(chuàng)面可采用噴灑法；對于慢性核輻射傷，可根據(jù)損傷組織的嚴(yán)重程度采用定位注射或介入治療法。（2）治療劑量和療程：UCMSC治療和輻射傷存在一定量效關(guān)系，國內(nèi)外UCMSC臨床研究報道的使用劑量從 1×（106～108）細(xì)胞/kg不等，療效差異較大，估計與不同來源的UCMSC質(zhì)量有關(guān)。根據(jù)UCMSC治療輻射傷動物模型研究及安全性評價結(jié)果，安全和有效劑量在 1×（106～107）細(xì)胞/kg之間。 因此，建議通過靜脈輸入UCMSC治療急、慢性核輻射傷的劑量為1×106細(xì)胞/kg到 5×106細(xì)胞/kg，1次/2 d，連續(xù) 3次為一個療程。局部定位或介入治療的劑量為1×107細(xì)胞/次。（3）療效評價[9]：輻射傷動物模型治療實驗顯示，在放射線照射后2 h內(nèi)實施UCMSC治療，可顯著減低半致死量照射樹鼩和大鼠的病死率，延長存活時間；而照射后24 h進行UCMSC治療，對降低病死率影響不明顯，表明應(yīng)及早實施。UCMSC治療對輻射造成的造血功能障礙和白細(xì)胞減少，在急性期無顯著保護和促進作用，但可促進造血恢復(fù)，治療后1個月左右，外周血白細(xì)胞和血小板數(shù)量顯著高于對照。UCMSC可顯著抑制輻射誘導(dǎo)的急性炎癥反應(yīng)水平，降低血漿中IL-1、TNF-α等炎癥因子的含量，改善胃腸和肺功能，縮短皮膚、骨及肝、腎組織損傷的恢復(fù)時間。UCMSC治療能否降低遺傳基因突變的發(fā)生率和減少輻射誘導(dǎo)的惡性腫瘤發(fā)生尚待深入研究。（4）輔助治療：造血系統(tǒng)對核輻射極為敏感，核輻射傷員極易出現(xiàn)造血障礙和免疫細(xì)胞減少，從而誘發(fā)肺、胃腸道及全身性損傷，因此，抗感染治療應(yīng)貫穿于急性核輻射傷治療的始終。營養(yǎng)支持治療、補充體液、調(diào)節(jié)體液平衡等是和輻射傷治療的常規(guī)措施，對輔助UCMSC治療也有較大幫助。（5）聯(lián)合治療：在對輻射傷員實施造血干細(xì)胞移植的同時進行UCMSC治療，可顯著提高HSC移植率，有效預(yù)防和降低移植免疫排斥反應(yīng)。在實施UANSC治療的同時，輔以粒-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)、血小板生成素（TPO）、白介素 -3/6(IL-3/IL-6)、干細(xì)胞生長因子（SCF）等治療，能有效提高輕、中度放射性骨髓損傷。

6 問題與展望

核輻射傷的發(fā)生、發(fā)展涉及遺傳基因、生物大分子、細(xì)胞等不同層次的結(jié)構(gòu)破壞，常規(guī)藥物難以達到有效治療目的[10]。UCMSC治療可通過定植分化、分泌細(xì)胞因子和外分泌體等對核輻射傷發(fā)揮從分子到器官的多重生物效應(yīng)。目前，UCMSC的制備技術(shù)已經(jīng)成熟，解決了UCMSC用于損傷、退變、炎癥等疾病治療的臨床前關(guān)鍵技術(shù)和理論問題，進一步的研究重點是進行臨床療效驗證和改進技術(shù)方法。在UCMSC治療核輻射傷方面，需要闡明：UCMSC在體內(nèi)的遷移、定植、分化、整合及長期存活等基本過程和規(guī)律；修復(fù)基因和生物大分子結(jié)構(gòu)的作用和機制；UCMSC及其分泌的細(xì)胞因子、外分泌體在療效發(fā)揮中的作用和機制；長期實驗觀察UCMSC在防治核輻射誘發(fā)基因突變和惡性腫瘤中的作用和機制；UCMSC治療核輻射傷的量效關(guān)系及方法需要進一步優(yōu)化，用于大規(guī)模救治的技術(shù)需要標(biāo)準(zhǔn)化和實戰(zhàn)化檢驗?？傊?，UCMSC在核輻射傷治療中的應(yīng)用價值不容置疑，隨著UCMSC研究技術(shù)的發(fā)展，將在核武器傷等高新技術(shù)武器傷救治中發(fā)揮作用。