間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷研究進(jìn)展

孫 月， 王東輝

北部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)室，遼寧 沈陽 110003

放射治療是胸部晚期惡性腫瘤治療的主要方法，而放射性肺損傷是放射治療過程中較常見的并發(fā)癥。放射性肺損傷發(fā)生早期主要表現(xiàn)為放射性肺炎，若治療不及時(shí)，會(huì)發(fā)展為放射性肺纖維化。肺纖維化一旦形成，損傷不易逆轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為胸悶、氣短、干咳以及呼吸困難等，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和生存時(shí)間。由于放射性肺損傷的發(fā)生，使胸部腫瘤放射治療的有效劑量受到限制。目前，臨床上治療放射性肺損傷主要應(yīng)用抗生素、激素、抗組胺類藥物以及一些中醫(yī)藥療法，這些方法主要通過抑制炎性因子的釋放和表達(dá)，減輕臨床癥狀，延緩放射性肺纖維化的發(fā)展進(jìn)程，但無法修復(fù)已經(jīng)受損的組織[1]。間充質(zhì)干細(xì)胞是一種具有多向分化潛能及自我更新能力的多能干細(xì)胞，其可促進(jìn)組織再生，調(diào)節(jié)免疫功能，且易于體外培養(yǎng)和增殖，使其成為近年來醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一[2-3]。本文對不同組織來源間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷的研究進(jìn)展作一綜述，旨在為臨床治療提供參考依據(jù)。

1 放射性肺損傷的特點(diǎn)及發(fā)病機(jī)制

放射性肺損傷是胸部惡性腫瘤患者(食管癌、肺癌、乳腺癌等)接受放射治療時(shí)，其正常肺組織受到射線照射而引起的損傷，是放射治療過程中較常見的并發(fā)癥。在胸部腫瘤放射治療中，放射性肺損傷的發(fā)生率約為15%[4]。放射性肺損傷的發(fā)生、發(fā)展是由多種細(xì)胞因子共同調(diào)控的復(fù)雜過程。其病程包括早期放射性肺炎和晚期肺纖維化兩個(gè)階段。早期放射性肺炎的發(fā)生始于炎癥急性期，患者肺部受到電離照射后，可誘導(dǎo)組織細(xì)胞產(chǎn)生活性氮和活性氧物質(zhì)，其作用于肺泡巨噬細(xì)胞、上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞及血管內(nèi)皮細(xì)胞等，從而引起肺組織損傷相關(guān)性反應(yīng)，并分泌多種細(xì)胞炎性因子、促纖維生長因子及趨化因子等[5]。該階段的病理檢查可見肺泡壁上皮細(xì)胞脫落、炎癥細(xì)胞浸潤以及肺泡蛋白滲出等；臨床癥狀表現(xiàn)為咳嗽、發(fā)熱、濃痰以及胸痛等[6]。肺內(nèi)受損細(xì)胞釋放的大量細(xì)胞因子，可刺激成纖維細(xì)胞的增殖和分裂，從而導(dǎo)致大量膠原蛋白的合成、沉積，最終形成放射性肺纖維化[7-8]。肺實(shí)質(zhì)的纖維病變形成后，其臨床癥狀可表現(xiàn)為干咳、胸痛、胸悶及呼吸困難等[6]。有研究顯示，轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)與放射性肺損傷的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，可預(yù)測其發(fā)生的獨(dú)立危險(xiǎn)因子[9]。TGF-β/Smads信號(hào)通路的激活在肺纖維化形成過程中起關(guān)鍵作用[10].因此，放射性肺損傷是以電離輻射為誘因，多種細(xì)胞共同參與、相互作用，致使肺組織細(xì)胞發(fā)生炎性損傷、成纖維細(xì)胞大量積累、肺泡結(jié)構(gòu)遭到破壞的復(fù)雜過程[11]。

2 治療放射性肺損傷間充質(zhì)干細(xì)胞的來源及特性

2.1 間充質(zhì)干細(xì)胞的來源 間充質(zhì)干細(xì)胞是一類來源于中胚層的多能干細(xì)胞，其廣泛存在于全身器官間質(zhì)及結(jié)締組織中[12]。間充質(zhì)干細(xì)胞最初在骨髓中被發(fā)現(xiàn)，因其具有自我增殖的多向分化潛能、低免疫原性、來源豐富、可進(jìn)行免疫調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。有研究顯示，在臍帶血中發(fā)現(xiàn)的間充質(zhì)干細(xì)胞免疫表型與脊髓中的相同[13]；另外，外周血、脂肪組織亦是間充質(zhì)干細(xì)胞的重要來源，從人體脂肪組織中分離培養(yǎng)的間充質(zhì)干細(xì)胞表面抗原與骨髓相似，且在一定條件下，誘導(dǎo)分化方向與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植相似，外周血產(chǎn)生的為非融合貼壁細(xì)胞，且其表面標(biāo)志為造血細(xì)胞，但外周血來源的間充質(zhì)干細(xì)胞數(shù)量有限[14-16]。

2.2 間充質(zhì)干細(xì)胞的特性 干細(xì)胞是機(jī)體的始祖細(xì)胞，可形成人體的各種組織和器官。間充質(zhì)干細(xì)胞是干細(xì)胞家族的重要成員，其主要來源于骨髓，且可通過特定條件誘導(dǎo)分化為多種組織和器管。間充質(zhì)干細(xì)胞有以下特點(diǎn)：(1)間充質(zhì)干細(xì)胞具有較強(qiáng)的增殖及自我分化潛能，在特定的環(huán)境下可分化為肝細(xì)胞、心肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、成骨細(xì)胞及軟骨細(xì)胞等，替代衰退、受損的細(xì)胞和組織。(2)免疫原性低，無主要組織相容性復(fù)合物限制，不會(huì)引起免疫排斥反應(yīng)，且可通過細(xì)胞間作用產(chǎn)生細(xì)胞因子，抑制炎癥反應(yīng)，發(fā)揮其免疫調(diào)節(jié)作用。(3)來源廣泛，易于獲取，分離培養(yǎng)方法簡單，且多次傳代擴(kuò)增后仍具有干細(xì)胞特性。鑒于間充質(zhì)干細(xì)胞的多種特性，使其廣泛應(yīng)用于自身免疫性疾病以及無法自然修復(fù)組織和器官損傷再生的臨床治療。但間充質(zhì)干細(xì)胞取得了一定療效的同時(shí)，仍存在腫瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)、自體間充質(zhì)干細(xì)胞體外擴(kuò)增能力差異較大，以及體外擴(kuò)增需要培養(yǎng)時(shí)間等問題亟待解決。

3 不同來源干細(xì)胞治療放射性肺損傷機(jī)制及應(yīng)用前景

間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷具有其獨(dú)特優(yōu)勢，可通過多向分化潛能及免疫調(diào)節(jié)功能參與放射性肺損傷的修復(fù)，并在抗炎與抗纖維化等方面發(fā)揮重要作用[4，17-20]。雖然間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷的臨床應(yīng)用較少，但其在放射性肺損傷動(dòng)物模型中應(yīng)用已取得了較佳的效果，以間充質(zhì)干細(xì)胞治療為核心技術(shù)再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展未來將給放射性肺損傷患者帶來了新的希望。目前。間充質(zhì)干細(xì)胞已成功從骨髓、臍帶、脂肪等組織中分離，并進(jìn)行體外擴(kuò)增培養(yǎng)。雖然不同來源的間充質(zhì)干細(xì)胞有相似的特點(diǎn)，但仍存在一些差異，在治療放射性肺損傷的臨床療效方面今后仍有待進(jìn)一步研究。

3.1 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞不僅具有多向分化潛能，還支持造血和免疫功能，是骨髓中存在的一類非造血干細(xì)胞。骨髓中的間充質(zhì)干細(xì)胞含量較低，占有核細(xì)胞總數(shù)的0.001%～0.010%，但其易于體外分離、培養(yǎng)、擴(kuò)增和純化[21]。有研究顯示，在博來霉素誘導(dǎo)的小鼠肺損傷模型中，受損肺組織分泌的可溶性因子可誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的歸巢[22]。另有研究證實(shí)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對放射治療后受損肺組織的歸巢作用[23]。電離輻射可產(chǎn)生自由基，損傷細(xì)胞膜和DNA。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)是機(jī)體超氧自由基的消除因子，具有強(qiáng)抗氧化作用，可通過測定其活性間接反映其消除超氧自由基的能力。有研究表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可通過提高SOD活性治療放射性肺損傷[23]。另外，電離輻射亦可直接破壞DNA結(jié)構(gòu)，使DNA雙鏈斷裂[24]。有研究表明，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可高效修復(fù)DNA雙鏈損傷[25]。肺組織受到電離輻射的損傷后，會(huì)分泌干擾素γ(interferon γ，IFN-γ)、腫瘤壞死因子等多種炎性因子。當(dāng)IFN-γ、TNF-α明顯增加時(shí)，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可分泌細(xì)胞色素氧化酶2(cytochrome oxidase，COX-2)，而COX-2可抑制TGF-β1誘導(dǎo)的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial mesenchymal transition，EMT)，從而減緩肺組織纖維化進(jìn)程[26]。另有研究顯示，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可通過上調(diào)細(xì)胞因子的表達(dá)，刺激上皮細(xì)胞的增殖，抑制上皮細(xì)胞的EMT，從而減輕肺組織損傷[27]。TGF-β1是人類轉(zhuǎn)化生長因子(transforming growth factor β，TGF-β)家族成員。TGF-β家族成員參與細(xì)胞分化、凋亡、遷移等的調(diào)節(jié)，在早期胚胎發(fā)育、組織器官形成等生理過程中發(fā)揮重要作用。有研究證實(shí)，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞治療能減輕放射性肺損傷小鼠肺組織損傷和纖維化程度，降低TGF-β1水平，并推測其可能抑制了TGF-β/Smad信號(hào)通路的激活，且在觀察時(shí)間內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)其心、肝、腎等重要器官的損傷[23]。

3.2 人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷 臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞是以新生兒臍帶組織中存在的一種多能干細(xì)胞，具有多向分化潛能，并在免疫炎癥反應(yīng)、造血支持等功能上起重要調(diào)節(jié)作用。有研究顯示，臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有相似的生物學(xué)特性，但較骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有更高的增殖能力，且免疫原性更低[28]。臍帶間充質(zhì)的組織來源豐富，且不會(huì)給捐贈(zèng)者帶來不適，無倫理道德爭議，在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。有研究顯示，臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺纖維化，可改善患者的臨床癥狀、CT肺密度值以及圣喬治呼吸困難評分，且未發(fā)現(xiàn)其對肝、腎功能以及骨髓造血功能的不良反應(yīng)，分析其可能是通過降低TGF-β1的分泌，從而降低肺纖維化程度[29]。另有研究顯示，人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞可能通過抑制單核巨噬細(xì)胞分泌白細(xì)胞介素1(interleukin 1，IL-1)，從而減輕放射性肺損傷的嚴(yán)重程度[30-31]。有研究通過miRNA-seq測序和生物信息學(xué)分析臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺纖維化相關(guān)度較高的miRNA為mmu-miR-466i-3p、mmu-let-7f-1-3p、mmu-miR-450a-2-3p，并且獲得了與臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞改善放射性肺纖維化進(jìn)展相關(guān)的蛋白及通路，推測臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺纖維化可能是通過mmu-miR-466i-3p、mmu-let-7f-1-3p、mmu-miR-450a-2-3p的表達(dá)，從而使蛋白Prkcb、Prkca、smad2表達(dá)發(fā)生改變，導(dǎo)致絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、P13K-Akt、Wnt、TGF-β、mTOR以及細(xì)胞外基質(zhì)(extra cellular matrix，ECM)通路被抑制[32]。

3.3 自體脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷 脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞即脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞是具有多向分化潛能的干細(xì)胞，其來源豐富，易于取材，對機(jī)體創(chuàng)傷性小，且受供體年齡的影響較小，自體移植無倫理道德爭議，免疫原性低。有研究顯示，每毫升吸脂劑中干細(xì)胞數(shù)量較骨髓中高約8倍，且增殖分化能力穩(wěn)定[33-34]。有研究顯示，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞能夠遷移到受損肺組織，參與肺損傷的修復(fù)，干預(yù)基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)，且可降低肺損傷及纖維化形成中主要細(xì)胞因子腫瘤細(xì)胞壞死因子(tumor necrosis factor α，TNF-α)、血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor，PDGF)以及IL-1等的表達(dá)[35]。亦有研究發(fā)現(xiàn)，人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞可通過分泌肝細(xì)胞生長因子(hematopoietic growth factor，HGF)保護(hù)Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞免受輻射[36]。另有研究顯示，人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞分泌的HGF可能通過結(jié)合c-Met以增加細(xì)胞內(nèi)Smad7水平，并依賴PI3K/Akt/p70信號(hào)通路上調(diào)肺損傷部位基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metallo proteinase,MMP)-1、MMP-3和MMP-9表達(dá)水平，從而抑制EMT[37]。目前，關(guān)于脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷的相關(guān)研究較少，大多數(shù)研究僅基于動(dòng)物模型，臨床應(yīng)用效果仍有待進(jìn)一步分析。但隨著研究的不斷深入，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞有望成為治療放射性肺損傷較好的種子細(xì)胞。

4 結(jié)語

放射性肺損傷是通過電離輻射誘導(dǎo)多種細(xì)胞因子共同參與的復(fù)雜過程。目前間充質(zhì)干細(xì)胞治療放射性肺損傷的具體機(jī)制尚未完全清楚，但其可降低炎癥反應(yīng)，延緩肺組織纖維化進(jìn)程，參與受損組織的修復(fù)，可作為放射性肺損傷治療的重要靶細(xì)胞。但間充質(zhì)干細(xì)胞的來源不同，給藥方式、劑量以及途徑均可能會(huì)對療效產(chǎn)生影響，未來尚需大量的研究進(jìn)一步探討。