顏佳揚(yáng),馮 耘,瞿介明
上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院呼吸和危重癥醫(yī)學(xué)科,上海200025
急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是常見的呼吸系統(tǒng)危重癥,主要臨床表現(xiàn)為呼吸困難和難治性低氧血癥。影像學(xué)檢查顯示雙肺片狀或不對稱浸潤。病理檢查可見彌漫性肺泡損傷,尤其是微血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞廣泛受損,即肺泡毛細(xì)血管屏障通透性增強(qiáng),出現(xiàn)肺泡腔內(nèi)炎癥細(xì)胞和紅細(xì)胞大量聚集、透明膜形成以及富含蛋白質(zhì)的水腫液蓄積[1]。引起ARDS 的因素非常多,如膿毒血癥、多發(fā)性創(chuàng)傷、大量輸血、吸入性肺炎、肺挫傷和體外循環(huán)等,其中膿毒血癥和嚴(yán)重的肺部感染是臨床上引起ARDS 最主要的病因。
自1967年首次提出ARDS后,對該疾病的探索從未中斷。大量的研究成果讓臨床工作者更好地了解該疾病的發(fā)病機(jī)制,并且為治療方案提供指導(dǎo)性的意見;但是,ARDS的發(fā)病率和病死率一直居高不下[2],仍是重癥患者主要的死亡原因之一。統(tǒng)計資料[3]顯示,新型冠狀病毒肺炎重癥患者死亡率為61.5%,死亡患者中有81%發(fā)生過ARDS。至今為止,ARDS的治療還停留在支持治療層面上,臨床上可選擇的治療方法都有較大局限性。機(jī)械通氣治療使呼吸機(jī)相關(guān)性肺損傷(ventilator induced lung injury,VILI)發(fā)生風(fēng)險升高,而VILI反過來進(jìn)一步激活炎癥反應(yīng),加重肺損傷[4-5]。體外膜肺氧合(extracorporeal membrane oxygenation,ECMO)可以使肺“休息”,但無法治療ARDS[6]。藥物治療如他汀類、阿司匹林、抗氧化劑、吸入性糖皮質(zhì)激素、肺泡表面活性劑和其他抗炎藥物等對于改善ARDS效果均不顯著[7]。因此,探索ARDS特異性治療方法迫在眉睫。
近年來,干細(xì)胞治療作為一種新型的治療方法受到廣泛關(guān)注,成為了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中熱門的研究方向。干細(xì)胞可以幫助受損肺組織結(jié)構(gòu)和功能修復(fù),促進(jìn)細(xì)胞再生,調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)以及抑制炎癥進(jìn)展。大量研究證實(shí)干細(xì)胞對ARDS 有良好的治療作用,因此理論上說,干細(xì)胞治療有望成為ARDS的一種理想治療方案。
MSCs 是一種多能干細(xì)胞, 是當(dāng)前研究最廣泛且進(jìn)展最快的一種干細(xì)胞,具有很強(qiáng)的擴(kuò)增能力和歸巢特征,易于轉(zhuǎn)染,具有低免疫原性。這些生物學(xué)特征使其成為細(xì)胞治療的理想材料。
MSCs 治療ARDS 的作用機(jī)制主要可以總結(jié)為2 個方面。一方面,MSCs可以通過釋放旁分泌因子、胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs)以及轉(zhuǎn)移線粒體來發(fā)揮治療作用[8]。MSCs的旁分泌作用可以抑制炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)免疫功能、促進(jìn)血管形成、抑制纖維化、抑制細(xì)胞凋亡、殺菌以及增強(qiáng)組織修復(fù)能力[9]。值得一提的是,Li 等[10]將MSCs 與受損Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞(type Ⅱalveolar epithelia cells,AEC2)共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn),MSCs可以通過旁分泌角化上皮生長因子(keratinocyte growth factor,KGF)上調(diào)Na+-K+-ATP 酶表達(dá),鈉鉀泵功能增強(qiáng)從而促進(jìn)肺水清除。 MSCs 旁分泌的成纖維細(xì)胞生長因子-10(fibroblast growth factor-10, FGF-10/KGF-2)對于ARDS的治療至關(guān)重要,KGF-2與AEC2表面的受體結(jié)合后啟動增殖、抑制凋亡,發(fā)揮保護(hù)肺泡上皮完整性、加快肺水清除、調(diào)節(jié)免疫和氧化應(yīng)激、抑制纖維化以及促進(jìn)損傷組織修復(fù)等作用。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)MSCs旁分泌肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)可以降低肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞通透性[11-12]。不僅如此,Lu 等[13]研究發(fā)現(xiàn)MSCs 還通過旁分泌HGF 誘導(dǎo)成熟樹突狀細(xì)胞分化為調(diào)節(jié)性樹突狀細(xì)胞,從而改善早期肺損傷。EVs包括外泌體、微囊泡(microvesicles,MVs)和凋亡小體[8];在MSCs的治療作用方面,主要研究了前兩者。Xu等[14]發(fā)現(xiàn)MSCs來源的外泌體可以緩解光氣誘導(dǎo)的肺損傷,這可能與外泌體調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、抑制基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metalloproteinase-9,MMP-9)合成和提高肺表面活性物質(zhì)相關(guān)蛋白C(surfactant-associated protein C,SPC)水平有關(guān)。瞿介明教授的研究團(tuán)隊(duì)[15]建立大腸桿菌內(nèi)毒素誘導(dǎo)肺損傷的小鼠模型,氣管內(nèi)給予小鼠MVs,結(jié)果顯示小鼠肺內(nèi)水腫情況明顯好轉(zhuǎn),炎癥反應(yīng)被抑制,并發(fā)現(xiàn)MVs 中含有的血管生成素-1 (angiopoietin-1,Ang-1)是其發(fā)揮治療作用的關(guān)鍵。
另一方面,MSCs可遷移歸巢至受損的肺組織并且分化為肺上皮細(xì)胞。Cai 等[16]發(fā)現(xiàn)激活Wnt/β-catenin 信號通路后,MSCs遷移并在損傷肺組織中滯留明顯增加,促進(jìn)MSCs 向AEC2 分化,小鼠模型的肺損傷情況顯著好轉(zhuǎn),認(rèn)為MSCs的治療作用與其在損傷組織定植和分化有關(guān)。但是,有些研究發(fā)現(xiàn)MSCs 移植后在肺內(nèi)定植率低,認(rèn)為MSCs 對于ARDS 的治療作用與定植分化無關(guān)。Gupta 等[17]將MSCs 注入到小鼠模型肺內(nèi),結(jié)果顯示外源性MSCs治療方法可以減輕肺組織損傷,提高小鼠存活率;但是,注入MSCs 后24 和48 h 的定植率均<5%,也沒有觀察到MSCs在肺實(shí)質(zhì)內(nèi)形成細(xì)胞簇。因此,關(guān)于這方面的機(jī)制還存在爭議,需要更多實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證和探索。
MSCs最早是從骨髓中分離出來的。但是,除了骨髓之外,它還存在于多種組織中,如脂肪、胎盤、臍帶血等,近年來還在一些非造血器官如肺、胰腺等中分離到。研究發(fā)現(xiàn),其他組織來源的MSCs也可以產(chǎn)生與骨髓來源的MSCs(bone marrow-derived MSCs,BMSCs)相似的治療作用。Mao 等[18]在銅綠假單胞菌肺炎小鼠模型上發(fā)現(xiàn),脂肪組織來源的MSCs(adipose tissue-derived MSCs,ASCs)可以通過抑制前列腺素E2的產(chǎn)生來減輕肺組織的損傷。Zhu 等[19]發(fā)現(xiàn)臍帶來源的MSCs(umbilical cordderived MSCs,UCMSCs)可以通過旁分泌作用和免疫調(diào)節(jié)來減輕脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)誘導(dǎo)的肺損傷。Ji 等[20]在萘誘導(dǎo)呼吸道損傷動物模型上發(fā)現(xiàn),絨毛膜來源的MSCs(chorionic villi-derived MSCs,CMSCs)可以歸巢定植在損傷部位并且促進(jìn)呼吸道上皮修復(fù),但是其能力不如BMSCs。除了CMSCs之外,還發(fā)現(xiàn)肺內(nèi)源性MSCs(lung-resident MSCs,LR-MSCs)可以抑制炎癥反應(yīng)以及調(diào)節(jié)Treg 和Th17 細(xì)胞之間的平衡,從而促進(jìn)損傷肺組織的修復(fù)[21]??紤]到實(shí)際應(yīng)用中BMSCs獲取途徑復(fù)雜,對個體造成的創(chuàng)傷大,因此這些MSCs也可以作為干細(xì)胞治療強(qiáng)有力的候選,但它們的治療機(jī)制和效果還需要進(jìn)一步探究。
近年來,有研究證實(shí)內(nèi)皮祖細(xì)胞(endothelia progenitor cells,EPCs)、胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells, ESCs) 以 及 誘 導(dǎo) 多 功 能 干 細(xì) 胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)對包括ARDS 在內(nèi)的多種疾病有治療潛力;但是,當(dāng)前這3種干細(xì)胞移植治療技術(shù)仍停留在早期水平,想要將其應(yīng)用在臨床上困難重重。
有學(xué)者[22]認(rèn)為LR-MSCs 在替換和修復(fù)損傷肺組織時有優(yōu)勢,相較于其他類型干細(xì)胞而言,可能更適合治療肺部疾病。除了LR-MSCs 以外,值得一提的是,Kumar 等[23]發(fā)現(xiàn)在支氣管基底層存在一群表達(dá)p63 和keratin 5 的遠(yuǎn)端氣道干細(xì)胞(distal airway stem cells,DASCs),體外實(shí)驗(yàn)證明這群細(xì)胞與H1N1 流感病毒感染引起肺組織損傷后的修復(fù)有關(guān)。Zuo 等[24]進(jìn)一步建立了流感病毒感染的小鼠模型,發(fā)現(xiàn)肺內(nèi)固有的DASCp63/Ktr5擴(kuò)增并且聚集到發(fā)生炎癥反應(yīng)的肺間質(zhì)組織中的新生肺泡內(nèi);選擇性去除DASCp63/Ktr5后,肺組織修復(fù)受到抑制并且肺功能無法恢復(fù)正常;將外源性DASCp63/Ktr5移植到受損肺組織后,觀察到其可以分化成Ⅰ、Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞和細(xì)支氣管分泌細(xì)胞,從而發(fā)揮保護(hù)組織和促進(jìn)修復(fù)的作用??梢钥闯?,DASCp63/Ktr5為干細(xì)胞治療肺損傷提供了又一條可行的途徑。
當(dāng)前有不少已經(jīng)完成或者正在開展的相關(guān)臨床試驗(yàn)。Wilson 等[25]為9 例病情中度或重度的ARDS 患者靜脈輸注BMSCs 后,未觀察到與治療相關(guān)的不良事件發(fā)生。劉薇薇等[26]將13 例急性百草枯中毒導(dǎo)致肺損傷的患者分為觀察組(5例)和對照組(8例),所有患者均給予常規(guī)治療,觀察組患者同時給予靜脈輸注UCMSCs 的治療;結(jié)果顯示觀察組患者肺部損傷情況明顯改善,3 年內(nèi)5 例患者全部生存,在治療期間未見不良反應(yīng)。
然而,有的臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示MSCs治療效果并不理想,使用MSCs治療的處理組與對照組相比,28 d死亡率反而更高,但組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義[27]。在臨床應(yīng)用中,外源性干細(xì)胞遷移到損傷肺組織的數(shù)量少、在肺組織中存活率低[9]、肺組織微環(huán)境對于干細(xì)胞功能影響大等問題都會限制干細(xì)胞治療效果[28]。因此,如何提高干細(xì)胞的治療效果,成為了研究的新熱點(diǎn)。
大量研究從各種角度出發(fā),提出了多種策略來提高干細(xì)胞治療效果。其中,運(yùn)用基因工程技術(shù)對干細(xì)胞基因進(jìn)行修飾的方法受到了很多關(guān)注,這種方法可以克服干細(xì)胞或基因單獨(dú)治療的一些局限性。在體外,將已知對ARDS 產(chǎn)生有益功能的目的基因轉(zhuǎn)移入干細(xì)胞,使干細(xì)胞攜帶目的基因定向運(yùn)載至損傷的肺組織,目的基因在肺組織內(nèi)選擇性、持久性地表達(dá),可增強(qiáng)干細(xì)胞歸巢定植、抗炎、抗氧化、免疫調(diào)節(jié)、抗凋亡、促進(jìn)上皮和內(nèi)皮細(xì)胞修復(fù)、殺菌等功能。
就MSCs 而言,Xu 等[29]研究發(fā)現(xiàn)血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,Ang Ⅱ)與MSCs 細(xì)胞膜表面的血管緊張素2 型受體(Ang Ⅱtype 2 receptor,AT2R)結(jié)合后可以促進(jìn)MSCs 向受損肺組織遷移;因此,構(gòu)建高表達(dá)AT2R 的BMSCs,通過與普通BMSCs 比較,觀察到高表達(dá)AT2R 的BMSCs 向損傷肺組織遷移的能力明顯更強(qiáng)。Yang 等[30]發(fā)現(xiàn),趨化性細(xì)胞因子受體4(chemotaxis cytokine receptor 4,CXCR4)基因修飾的BMSCs 可以促進(jìn)干細(xì)胞歸巢定植,抑制炎癥反應(yīng),從而減輕肺損傷。Han 等[31]發(fā)現(xiàn),高表達(dá)前列腺素E2(E-prostanoid 2,EP2)受體的BMSCs 不僅可以提高干細(xì)胞遷移能力,還可以改善肺組織的炎癥反應(yīng)和血管通透性;但是與普通BMSCs相比,小鼠生存率并沒有顯著差異。Min等[32]發(fā)現(xiàn),攜帶血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2 (angiotensin converting enzyme 2,ACE2)基因的UCMSCs 可以明顯改善博來霉素誘導(dǎo)的小鼠模型肺部損傷情況,減輕受損肺組織炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和纖維化程度。Zhang 等[33]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染Nrf2基因的羊膜MSCs(amniotic MSCs,AMSCs)抗炎、抗纖維化作用增強(qiáng),干細(xì)胞活力和移植存活率也增高。此外,HGF、KGF、Ang-1、血紅蛋白氧合酶(heme oxygenase-1, HO-1)、白介素-10 (interleukin-10, IL-10)等基因修飾MSCs也均被證實(shí)可以提高干細(xì)胞的治療效果[9]。
除了MSCs 外,近年來發(fā)現(xiàn)的DASCs 也受到許多關(guān)注。Zhou 等[34]通過慢病毒載體將LL-37 基因轉(zhuǎn)入小鼠DASCs(mouse DASCs, mDASCs)中,獲得可以穩(wěn)定且持續(xù)表達(dá)LL-37 抗菌肽的干細(xì)胞株(LL-37-mDASCs),其所釋放的LL-37抗菌肽能顯著抑制細(xì)菌生長;在銅綠假單胞菌感染小鼠模型上,接受了改良肺干細(xì)胞移植的肺組織能夠有效地抑制細(xì)菌感染,其肺功能恢復(fù)效率遠(yuǎn)高于普通對照組小鼠。通過進(jìn)一步研究,從人肺中分離得到人DASCs(human DASCs,hDASCs),建立內(nèi)源性表達(dá)LL-37抗菌肽的干細(xì)胞株(LL-37-hDASCs),運(yùn)用組織工程技術(shù)將其種植到脫細(xì)胞化處理的大鼠肺上皮細(xì)胞外基質(zhì),初步再生出兼具呼吸功能和抗菌功能的肺泡結(jié)構(gòu)雛形。該研究對于肺干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)臨床轉(zhuǎn)化具有重要意義。
基因修飾干細(xì)胞一般采用效率較高的病毒轉(zhuǎn)染法,但是使用病毒轉(zhuǎn)染干細(xì)胞存在致瘤風(fēng)險,降低了干細(xì)胞治療的安全性。雖然作為載體的病毒經(jīng)過特殊處理,但是仍然可能激活體內(nèi)的特異性免疫,影響干細(xì)胞的治療效果?;蛐揎椄杉?xì)胞過程復(fù)雜、對技術(shù)要求高、花費(fèi)時間長,因此部分研究是從藥物聯(lián)合干細(xì)胞治療角度進(jìn)行的。
有研究[35]表明,胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1,GLP-1)及其類似物通過與GLP-1受體(GLP-1 receptor,GLP-1R)結(jié)合,激活細(xì)胞內(nèi)數(shù)條信號通路,可以發(fā)揮抑制炎癥、抑制肺纖維化等作用。Feng等[36]將利拉魯肽(GLP-1R 激動劑)與CMSCs 共同處理LPS 誘導(dǎo)的肺損傷小鼠,發(fā)現(xiàn)利拉魯肽與GLP-1R 結(jié)合后激活cAMP/PKAc/β-catenin 信號通路,從而促進(jìn)干細(xì)胞增殖和旁分泌,研究結(jié)果顯示兩者聯(lián)合治療比單獨(dú)治療效果顯著。FTY720 在臨床上用于治療多發(fā)性硬化,是磷脂酸鞘氨醇(sphingosine-1-phosphate,S1P)的類似物。Zhang等[37]建立LPS 誘導(dǎo)肺損傷的小鼠模型,發(fā)現(xiàn)相較于單獨(dú)使用UCMSCs或FTY720,兩者共同使用可以更好地恢復(fù)肺組織功能,改善損傷情況。Chen 等[38]將ASCs 與預(yù)激活的、分散且發(fā)生形變的血小板聯(lián)合應(yīng)用于膿毒血癥引起的ARDS大鼠,發(fā)現(xiàn)兩者聯(lián)合治療效果更佳。
除了基因修飾和藥物聯(lián)合以外,可以優(yōu)化干細(xì)胞治療ARDS 的策略還有預(yù)處理干細(xì)胞、選擇傳代培養(yǎng)不超過5 代的干細(xì)胞、調(diào)節(jié)肺部微環(huán)境等。Liu 等[39]建立肺缺血再灌注損傷的大鼠模型,發(fā)現(xiàn)缺氧預(yù)處理后的MSCs能夠更快地遷移到損傷肺組織,具有更強(qiáng)的抗氧化、抗炎癥和抗凋亡能力。使用ARDS 患者的血清、N-乙酰半胱氨酸、轉(zhuǎn)化生長因子-β1 等進(jìn)行預(yù)處理后,也觀察到干細(xì)胞治療效果增強(qiáng)。有研究[40]發(fā)現(xiàn)低劑量LPS 預(yù)處理UCMSCs 可以抑制高劑量LPS 引起的細(xì)胞凋亡作用,這為探究低劑量LPS 預(yù)處理是否可以強(qiáng)化干細(xì)胞治療作用提供了思路。
ARDS的發(fā)病率和病死率較高,干細(xì)胞治療為其帶來了希望。這種新型治療方法在動物實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)取得良好的療效,具有很好的發(fā)展前景。然而,干細(xì)胞治療ARDS的機(jī)制復(fù)雜,對其作用的了解不甚清楚,而且相關(guān)臨床試驗(yàn)顯示干細(xì)胞移植存在定植率低、治療效果不佳的問題。雖然近些年來已經(jīng)證實(shí)基因修飾、藥物聯(lián)合、缺氧預(yù)處理等措施可以有效提高干細(xì)胞治療效果,特別是在基因修飾DASCs 方面取得的成果為干細(xì)胞臨床轉(zhuǎn)化提供了很大幫助,但是,干細(xì)胞治療應(yīng)用于臨床這個目標(biāo)任重道遠(yuǎn),還需要進(jìn)一步探索。
參·考·文·獻(xiàn)
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