基于間充質(zhì)干細(xì)胞的矽肺治療研究現(xiàn)狀

劉浪，賀瑤瑤，田青，周東海

貴州省疾病預(yù)防控制中心公共衛(wèi)生監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)研究所，貴州 貴陽 550000

塵肺病是在職業(yè)活動(dòng)中長期吸入生產(chǎn)性粉塵并在肺內(nèi)沉積而引起的以肺組織彌漫性纖維化為主的一組職業(yè)性肺部疾病。按照致病粉塵成分的不同，其可以分為矽肺、煤工塵肺、石墨塵肺、炭黑塵肺、石棉肺等。根據(jù)國家衛(wèi)生健康委數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國累計(jì)報(bào)告新增職業(yè)病19 428例，其中塵肺病占全部新增病例的81.8%，占絕大多數(shù)，而其中又以矽肺和煤工塵肺為主。我國的職業(yè)性塵肺病防治形勢(shì)不容樂觀。矽肺是長期吸入大量含游離二氧化硅的粉塵而導(dǎo)致的塵肺病，其發(fā)病率和病死率在所有塵肺病中均是最高的［1］。矽肺目前尚缺少有效的治療手段，現(xiàn)有的藥物治療方法僅在減輕患者癥狀方面發(fā)揮一定作用，且效果不盡人意。肺移植作為終末期肺病治療手段之一，能夠有效改善患者健康狀況和肺功能，然而供體的缺乏和高昂的治療費(fèi)用決定了肺移植不可能成為廣泛推行的治療方法，強(qiáng)烈的免疫排斥也會(huì)讓患者終身無法擺脫免疫抑制藥物。因此探索一種新的矽肺治療方法顯得尤為重要。

間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells）是一類來源于早期胚胎中層，具有多向分化潛能和自我復(fù)制能力的細(xì)胞，其可以在特定的條件下定向分化為特定的組織、細(xì)胞，直接參與組織修復(fù)。此外，間充質(zhì)干細(xì)胞還能通過分泌多種細(xì)胞因子發(fā)揮作用，如促進(jìn)細(xì)胞增殖、抑制細(xì)胞凋亡、免疫功能調(diào)節(jié)等。在多種疾病的治療研究中，干細(xì)胞療法均受到廣泛的關(guān)注。間充質(zhì)干細(xì)胞在治療矽肺方面也得到了眾多研究人員的重視，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在矽肺模型中，間充質(zhì)干細(xì)胞治療能夠有效地減輕肺部炎性反應(yīng)，降低矽肺纖維化程度，延緩矽肺病程，明顯改善肺功能。本文將對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞在矽肺治療中的運(yùn)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 矽塵對(duì)肺組織的損傷機(jī)制

矽塵對(duì)肺組織的損傷機(jī)制主要包括：①直接細(xì)胞毒性作用。粒徑在5 μm以下的矽塵能夠突破氣道的纖毛黏液防御系統(tǒng)抵達(dá)呼吸道深部，對(duì)肺組織造成損傷。二氧化硅的壓電性使其在受力時(shí)能夠形成電極性，具備了直接損傷細(xì)胞的能力。其通過與局部細(xì)胞接觸相互作用，使細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)而破壞細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞損傷。同時(shí)其能夠直接與水發(fā)生作用，產(chǎn)生羥自由基，損傷質(zhì)膜，釋放溶酶體，引發(fā)組織損傷［2］。②氧化應(yīng)激。適量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞的生理功能，如細(xì)胞的存活和細(xì)胞衰老［3］。過量的ROS卻能夠?qū)е卵趸瘧?yīng)激損傷的發(fā)生［4］。當(dāng)矽塵微粒進(jìn)入肺泡組織后，會(huì)被肺泡巨噬細(xì)胞攝取并與之相互作用，生成誘導(dǎo)型一氧化氮合酶，進(jìn)而生成大量的ROS和活性氮，對(duì)肺組織細(xì)胞造成損傷［5］。③大量炎性因子和成纖維相關(guān)細(xì)胞因子的產(chǎn)生。氧化應(yīng)激能夠激活轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子如核因子（nuclear factor，NF）-κB和激活蛋白（active protein，AP）-1，轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)入細(xì)胞核后參與到炎性和纖維形成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程，產(chǎn)生多種細(xì)胞因子，募集多核細(xì)胞及單核細(xì)胞聚集在矽塵顆粒周圍，形成肉芽組織［6］。在二氧化硅顆粒的作用下，巨噬細(xì)胞和肺上皮細(xì)胞產(chǎn)生大量的腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白介素（interleukin，IL）-1α、IL-1β、轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor，TGF）-β等細(xì)胞因子［7］。TNF-α能夠募集成纖維細(xì)胞并促進(jìn)其增殖，IL-1α及IL-1β、TGF-β等細(xì)胞因子能夠激活成纖維細(xì)胞，在局部產(chǎn)生并沉積大量的膠原蛋白和彈性蛋白，重塑肺組織構(gòu)造［2，8］。④細(xì)胞凋亡。二氧化硅顆粒能導(dǎo)致線粒體膜電位喪失、線粒體功能紊亂、死亡受體及其配體的表達(dá)增加，激活半胱天冬酶（cysteinyl aspartate-specific proteinase，Caspase）3及Caspase9等凋亡相關(guān)蛋白，引發(fā)細(xì)胞凋亡。

2 間充質(zhì)干細(xì)胞在矽肺治療中的作用

2.1 抑制炎癥因子

炎癥在矽肺發(fā)生發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。持續(xù)的炎癥反應(yīng)和形成的肉芽組織能夠引發(fā)肺組織的重構(gòu)，進(jìn)而影響肺功能［9］，因此炎癥調(diào)節(jié)成為矽肺治療的有效靶點(diǎn)之一。動(dòng)物模型中，空白對(duì)照組肺組織病理學(xué)檢查無炎性滲出，而二氧化硅模型組能夠檢測(cè)到明顯的炎性細(xì)胞浸潤。模型組通過尾靜脈注射臍帶來源間充質(zhì)干細(xì)胞（umbilical cord mesenchymal stem cells，UC-MSCs）治療，能夠有效地降低模型組的炎性細(xì)胞浸潤和炎性相關(guān)細(xì)胞因子水平，提示UC-MSCs移植能有效地降低肺部的炎癥水平，進(jìn)而減少纖維化［10］。上述研究結(jié)果也在其他同類研究中得到證實(shí)［11］。這說明抑制炎癥是間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)揮治療作用的機(jī)制之一。

2.2 減少纖維化相關(guān)細(xì)胞因子的分泌

纖維化是矽肺發(fā)展中的一個(gè)重要病理過程。成纖維細(xì)胞的激活、肺局部大量膠原蛋白和彈性蛋白沉積是發(fā)生纖維化的基礎(chǔ)，減少纖維化相關(guān)細(xì)胞因子的水平是有效抑制纖維化的方法。IL-1α、IL-1β、TNF-α、TGF-β等細(xì)胞因子具有強(qiáng)力的成纖維細(xì)胞激活能力，能夠強(qiáng)力地激活成纖維細(xì)胞。矽肺模型予以骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）移植能夠有效地降低肺組織中羥脯氨酸的水平，減輕肺組織的纖維化，降低肺組織中纖維化相關(guān)細(xì)胞因子如TGF-β、IL-1β、基質(zhì)金屬蛋白酶2、TNF-α、干擾素-γ等的水平［12-13］。為了探究間充質(zhì)干細(xì)胞通過何種方式發(fā)揮作用，Li等［14］通過共培養(yǎng)的方法從體外探索BMSCs發(fā)揮作用的可能機(jī)制，結(jié)果表明BMSCs抗纖維化作用的發(fā)揮可能與旁分泌機(jī)制有關(guān)。IL-1受體拮抗劑通過旁分泌機(jī)制從BMSCs中釋放，抑制IL-1和TNF-α的產(chǎn)生和活性［15］。趙曼曼等［16］研究發(fā)現(xiàn)，不同細(xì)胞移植劑量組均有降低肺組織纖維化水平的作用，但不同劑量組之間療效存在差異，說明了BMSCs對(duì)纖維化的抑制效果和移植細(xì)胞數(shù)目之間存在劑量-效應(yīng)關(guān)系。

2.3 抑制細(xì)胞凋亡

氧化應(yīng)激和二氧化硅粉塵粒子的直接作用均能夠?qū)е戮€粒體膜電位喪失，引發(fā)線粒體功能紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［17］。凋亡細(xì)胞通過釋放炎性相關(guān)細(xì)胞因子又進(jìn)一步招募炎性細(xì)胞到局部，加重炎性反應(yīng)，加快肺纖維化進(jìn)程。另外，矽塵顆粒進(jìn)入肺組織后，多數(shù)被肺巨噬細(xì)胞攝取，減少了肺實(shí)質(zhì)受到的損傷。當(dāng)肺巨噬細(xì)胞發(fā)生凋亡時(shí)，其攝取的矽塵顆粒又會(huì)重新釋放到細(xì)胞外，再次對(duì)肺組織造成損傷［7］。因此，抑制細(xì)胞凋亡能夠有效地延緩矽肺發(fā)展的進(jìn)程。研究表明，矽肺模型動(dòng)物肺組織TUNEL染色陽性區(qū)域相較于空白對(duì)照組明顯增加，凋亡相關(guān)蛋白表達(dá)水平也會(huì)顯著上升，表明矽塵顆粒能夠明顯地誘發(fā)細(xì)胞凋亡。通過脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（adipose-derived mesenchymal stem cells，ADSCs）移植能夠明顯減少肺組織中TUNEL陽性的細(xì)胞數(shù)目［11］，降低凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)水平［18］。上述研究結(jié)果表明ADSCs移植對(duì)細(xì)胞的凋亡具有明顯的抑制作用，該機(jī)制是ADSCs降低肺部損傷的機(jī)制之一。

2.4 抑制內(nèi)皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（endothelial mesenchymal transition，EMT）

EMT是上皮細(xì)胞逐漸獲得間質(zhì)細(xì)胞（成纖維樣細(xì)胞）表型的過程［19］。EMT在胚胎發(fā)育、組織修復(fù)、癌癥的演化等過程中均發(fā)揮了重要作用［20-21］，其在器官纖維化進(jìn)程中的作用也被證實(shí)［22］。多項(xiàng)研究表明，矽塵顆粒能夠刺激肺組織中的巨噬細(xì)胞和上皮細(xì)胞，促使其釋放大量的活性氧物質(zhì)和細(xì)胞因子，引發(fā)EMT、成纖維細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)沉積等過程［9，23-24］。EMT與矽肺纖維化的關(guān)聯(lián)在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)中均得到證實(shí)［25-26］。Jiang等［27］研究發(fā)現(xiàn)BMSCs能夠靶向誘導(dǎo)Ⅱ型肺上皮細(xì)胞發(fā)生EMT并具有逆轉(zhuǎn)肺纖維化潛能。Zhang等［28］研究發(fā)現(xiàn)，BMSCs能夠有效抑制Ⅱ型肺上皮細(xì)胞的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化，且BMSCs處理組Wnt/β-catenin信號(hào)通路相關(guān)蛋白表達(dá)水平相較于對(duì)照組降低。這表明BMSCs抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化的作用可能是通過抑制Wnt/β-catenin信號(hào)通路來實(shí)現(xiàn)的。

2.5 調(diào)節(jié)自噬

自噬是大多數(shù)真核細(xì)胞中進(jìn)行的正常生物學(xué)過程，是一個(gè)以溶酶體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)和能量循環(huán)的過程。適當(dāng)?shù)淖允伤接欣诩?xì)胞生存，提升細(xì)胞抵抗凋亡和死亡的能力，然而過度的自噬水平則會(huì)誘發(fā)細(xì)胞程序性死亡。以往研究報(bào)道顯示，矽肺模型中肺泡巨噬細(xì)胞（alveolar macrophages，AMs）的自噬水平會(huì)明顯增高，且隨著矽肺期別的增加呈上升趨勢(shì)［29］。在矽肺進(jìn)展過程中AMs的自噬水平和肺組織損傷程度呈正比［30］，降低AMs的自噬水平能夠明顯地降低肺組織的纖維化。間充質(zhì)干細(xì)胞治療能夠有效地減輕AMs的病理狀況。Zhu等［31］通過對(duì)模型組小鼠給予BMSCs治療后，檢測(cè)AMs中的LC-3和Beclin-1的表達(dá)水平，研究顯示LC-3和Beclin-1相較于對(duì)照組明顯降低，且纖維化程度也明顯低于對(duì)照組，提示矽塵能夠明顯增強(qiáng)AMs的自噬水平，而BMSCs移植可有效抑制AMs自噬的激活，緩解矽肺的病理進(jìn)程。上述結(jié)果說明了調(diào)節(jié)AMs自噬水平也是BMSCs在矽肺治療中發(fā)揮作用的機(jī)制之一。

2.6 其他

陳志軍等［32］的研究結(jié)果顯示，BMSCs延緩纖維化進(jìn)程可能是通過上調(diào)Tregs水平實(shí)現(xiàn)的。間充質(zhì)干細(xì)胞具有多向分化的潛能，能夠在特定條件下定向分化為特定的組織細(xì)胞。在矽肺的發(fā)展過程中，MSCs是否也通過其分化能力發(fā)揮了一定的治療作用？燕玲等［33］通過免疫熒光雙標(biāo)性別決定基因（sex-determining region on Y，SRY）和肺表面活性物質(zhì)相關(guān)蛋白（pulmonary surfactant associated protein，SP）-C探究BMSCs是否能夠通過分化直接參與肺組織損傷修復(fù)，結(jié)果顯示雄性大鼠BMSCs進(jìn)入受體雌性模型鼠肺組織后，同時(shí)檢測(cè)到了SRY和SP-C陽性信號(hào)，說明BMSCs能夠定向分化成為Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞，細(xì)胞分化可能是其在矽肺中發(fā)揮治療作用的機(jī)制之一。旁分泌作用是間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)揮功能的主要方式，研究者通過獲取間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體替代間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行矽肺治療的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示單純的外泌體治療能夠獲得和間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療相似的作用效果，如抑制炎癥、抑制纖維化、抑制EMT的進(jìn)展等［34］。這進(jìn)一步明確外泌體是間充質(zhì)干細(xì)胞發(fā)揮功能的途徑之一。

3 討論與展望

干細(xì)胞治療擁有安全、細(xì)胞來源豐富、無免疫排斥、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，因此在多種疾病的治療中受到廣泛關(guān)注。干細(xì)胞治療方法的興起為矽肺的治療提供了方向?，F(xiàn)有間充質(zhì)干細(xì)胞在矽肺治療領(lǐng)域研究報(bào)道較多，干細(xì)胞發(fā)揮作用的機(jī)制也越來越清晰。間充質(zhì)干細(xì)胞在矽肺治療中主要通過減少有害的炎癥反應(yīng)、抑制纖維化、減少細(xì)胞凋亡、抑制肺巨噬細(xì)胞自噬、增強(qiáng)損傷后修復(fù)等方面發(fā)揮作用。這些有益的作用可能是通過旁分泌作用發(fā)揮的［15，35］。間充質(zhì)干細(xì)胞是否通過分化功能發(fā)揮治療作用，現(xiàn)有的研究證據(jù)還較少。在矽肺早期（1 d）和中期（14 d）移植治療病理改變較矽肺模型組有明顯緩解，在矽肺晚期（28 d）移植治療效果不明顯［36］。隨著研究的不斷深入，干細(xì)胞生物學(xué)的策略結(jié)合其他學(xué)科的聯(lián)合治療方法將會(huì)是未來的研究趨勢(shì)之一，如通過與基因工程的方法相結(jié)合，采用慢病毒介導(dǎo)修飾BMSCs，過表達(dá)骨形態(tài)發(fā)生蛋白-7基因，能夠獲得比單純運(yùn)用BMSCs治療更顯著的效果［37］。在現(xiàn)有的研究報(bào)道中，人體試驗(yàn)報(bào)道較少。間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療對(duì)矽肺患者咳嗽、胸悶癥狀有較好的改善作用，胸部CT、高千伏X線胸片結(jié)果顯示好轉(zhuǎn)，肺功能有所改善，顯示出了較好的治療前景［38-39］。目前多數(shù)研究僅僅是停留在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究上，缺乏較為有力的臨床證據(jù)，其臨床有效性和安全性等仍然需要大量的臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐。間充質(zhì)干細(xì)胞治療在矽肺方面的應(yīng)用前景廣闊，細(xì)胞治療作為矽肺治療的可能方案，具有非常大的潛在應(yīng)用價(jià)值。