內(nèi)皮祖細(xì)胞和慢性阻塞性肺疾病

彭淮淮，梁桂賓，何智輝*（. 中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院，長沙 400；. 中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院，長沙 4003）

慢性阻塞性肺疾病（COPD）是一種以持續(xù)呼吸道癥狀和不可逆氣流受限為特征的疾病。由于持續(xù)面臨風(fēng)險因素和人口老齡化，COPD所造成的全球負(fù)擔(dān)將在未來幾十年持續(xù)加重，而其發(fā)病機(jī)制尚不完全明確。其治療以控制癥狀、延緩疾病進(jìn)展為原則，尚無可治愈藥物。內(nèi)皮祖細(xì)胞是內(nèi)皮細(xì)胞的前體細(xì)胞，在出生后血管生成、血管再生及修復(fù)中發(fā)揮重要作用。近年來內(nèi)皮祖細(xì)胞在COPD中的作用備受關(guān)注，本文就內(nèi)皮祖細(xì)胞在肺氣腫及COPD發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 內(nèi)皮祖細(xì)胞的定義

內(nèi)皮祖細(xì)胞是造血干細(xì)胞的亞類，主要來自骨髓，在功能和表型上與成熟的內(nèi)皮細(xì)胞不同，可以在體外分化為內(nèi)皮細(xì)胞，并在體內(nèi)促進(jìn)血管生成和血管穩(wěn)態(tài)。在成人外周血中發(fā)現(xiàn)了兩種內(nèi)皮祖細(xì)胞：具有較高黏附能力和低增殖能力的早期內(nèi)皮祖細(xì)胞、具有較低黏附能力和高增殖能力的晚期內(nèi)皮祖細(xì)胞。早期內(nèi)皮祖細(xì)胞呈紡錘形，主要存在于骨髓中，特異性表達(dá)CD34、CD45和VEGFR-2（KDR/Flk-1），增殖能力低，形成集落及小管的能力弱，但具有促血管生成旁分泌能力。晚期內(nèi)皮祖細(xì)胞呈鵝卵石狀，具有較強(qiáng)的增殖能力，可促進(jìn)血管新生，也被稱為內(nèi)皮集落形成細(xì)胞。晚期內(nèi)皮祖細(xì)胞能歸巢至缺血壞死組織處，通過融入新生微血管壁來形成新的毛細(xì)血管，分泌多種促血管因子（如粒細(xì)胞克隆刺激因子、內(nèi)皮型一氧化氮合酶等），促內(nèi)皮新生，促損傷血管修復(fù)。

2 內(nèi)皮祖細(xì)胞和COPD

內(nèi)皮祖細(xì)胞在生理和病理情況下參與血管生成，在各系統(tǒng)疾病中起重要作用。COPD的主要病理變化包括微血管損傷和肺動脈高壓。本文回顧了內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量和功能對COPD患者或肺氣腫動物模型的影響。

2.1 臨床研究

2.1.1 內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量和COPD 內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量在COPD的發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用。研究表明，循環(huán)內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量的減少參與了COPD的進(jìn)展，并與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)。早期 COPD（GOLD 1）患者循環(huán)內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量增加，在修復(fù)和重建血管的同時也導(dǎo)致動脈壁增厚和肺部高壓。晚期COPD患者（GOLD 2～4）、穩(wěn)定期COPD患者循環(huán)內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量減少，與穩(wěn)定期COPD患者相比，急性加重期COPD（AECOPD）患者內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量明顯減少。然而，Sala等研究卻證明，與穩(wěn)定期COPD患者和健康對照組相比，AECOPD患者內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量更多，但穩(wěn)定期COPD患者和對照組之間的內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量沒有顯著差異。另一項(xiàng)研究表明，與吸煙對照組相比，中度COPD（GOLD 2）患者內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量下降，而重度COPD（GOLD 4）患者內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量無明顯差異。Huertas等發(fā)現(xiàn)，與體質(zhì)量指數(shù)（BMI）正常的COPD患者相比，低BMI的COPD患者的內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量顯著降低，并且炎癥因子如腫瘤壞死因子

α

（TNF-

α

）、白介素6（IL-6）和單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1）升高，提示內(nèi)皮祖細(xì)胞下降可能與炎癥有關(guān)。此外，與性別、年齡和吸煙狀況均相當(dāng)?shù)膶φ战M相比，COPD 患者（GOLD 3）的外周循環(huán)內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量無明顯減少，這可能是全身炎癥和低氧血癥所致。研究中使用的不同內(nèi)皮祖細(xì)胞表型、不同計(jì)數(shù)方法可能是導(dǎo)致這些研究結(jié)果不一致的原因。

2.1.2 內(nèi)皮祖細(xì)胞的功能和COPD 肺泡巨噬細(xì)胞在分泌促炎癥介質(zhì)和蛋白酶方面的功能障礙可以誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，吞噬凋亡細(xì)胞，從而促進(jìn)COPD 的進(jìn)展。COPD 患者出現(xiàn)內(nèi)皮功能障礙和細(xì)胞凋亡，可引起肺血管的減少和重構(gòu)。內(nèi)皮祖細(xì)胞的基本功能包括分泌、黏附和增殖等。研究表明內(nèi)皮祖細(xì)胞功能的改變可能影響 COPD 的進(jìn)展。

許多細(xì)胞因子，如血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、粒細(xì)胞集落刺激因子（G-CSF）、基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1

α

（SDF-1

α

）、促紅細(xì)胞生成素（EPO），神經(jīng)營養(yǎng)因子，神經(jīng)生長因子和肝細(xì)胞生長因子都能促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞向組織特定部位的歸巢。血管趨化因子（CCL2、CXCL1、CXCL7、CXCL12）與其相應(yīng)受體（CCR2、CXCR2、CXCR4）的相互作用調(diào)節(jié)在歸巢過程中內(nèi)皮祖細(xì)胞的遷移、募集和黏附。

吸煙者和 COPD 患者的內(nèi)皮祖細(xì)胞功能和生物活性受損。在低BMI的COPD患者（GOLD 2～3）中，VEGF和造血生長因子水平顯著降低，影響了內(nèi)皮祖細(xì)胞的歸巢和動員能力。Liu等招募了25名有吸煙史的 COPD 患者（GOLD 2～3）和16名健康、年齡匹配、不吸煙的志愿者。測試了所有受試者內(nèi)皮祖細(xì)胞的管道形成能力、血小板/內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子1（PECAM-1）在內(nèi)皮祖細(xì)胞表面的表達(dá)、內(nèi)皮祖細(xì)胞集落形成單位的數(shù)量以及 CXCR4在內(nèi)皮祖細(xì)胞中的表達(dá)。結(jié)果表明，COPD 患者血管形成明顯減少，早期內(nèi)皮祖細(xì)胞中CXCR4表達(dá)降低，增殖能力受損，集落形成單位數(shù)量減少，晚期內(nèi)皮祖細(xì)胞中PECAM-1表達(dá)明顯減少。此外，AECOPD患者的早期內(nèi)皮祖細(xì)胞遷移能力下降，不能誘導(dǎo)血管形成，CXCR4表達(dá)減少更為明顯，而穩(wěn)定期COPD患者的晚期內(nèi)皮祖細(xì)胞在血管形成方面存在明顯缺陷。與穩(wěn)定期COPD患者的晚期內(nèi)皮祖細(xì)胞相比，AECOPD晚期患者的內(nèi)皮祖細(xì)胞附著于基質(zhì)膠誘導(dǎo)的小管數(shù)量明顯減少。Liu等和Yang等研究均指出COPD患者內(nèi)皮祖細(xì)胞黏附能力下降，增殖能力明顯受損。

微小RNAs（miRNAs）是一類非編碼RNA分子，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化和凋亡。miR-34a和miR-126參與內(nèi)皮祖細(xì)胞活性的調(diào)節(jié)。p53可上調(diào)miR-34a的表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而miR-126-3p 可促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞的釋放。沉默信息調(diào)節(jié)因子1（Sirt1）通過調(diào)節(jié)p53依賴性凋亡來抑制促凋亡蛋白的表達(dá)。

p16

基因?qū)儆贗NK4基因家族，是僅次于p53的常見腫瘤抑制基因，在細(xì)胞衰老中起關(guān)鍵作用。

Kato等招募了252名吸煙COPD患者和106名吸煙非COPD者，檢測了所有受試者內(nèi)皮祖細(xì)胞、Sirt1 RNA、miR-34a和miR-126的表達(dá)數(shù)量。與吸煙非COPD者相比，中度COPD患者內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)目和Sirt1 RNA以及miR-126-3p的表達(dá)均顯著降低，而miR-34的表達(dá)顯著增加，內(nèi)皮祖細(xì)胞的衰老與凋亡增加。然而上述項(xiàng)目在吸煙非COPD者與重度COPD患者中無明顯差異。而重度COPD患者中內(nèi)皮祖細(xì)胞和miR-126-3p水平相對較高可能與激素的使用以及治療時間的差異性有關(guān)。

與吸煙非COPD患者相比，吸煙COPD患者外周血內(nèi)皮祖細(xì)胞中p16 mRNA及蛋白表達(dá)顯著增高，增殖能力降低，存在G/S期停滯。敲除COPD患者內(nèi)皮祖細(xì)胞中

p16

基因可以顯著減輕這些患者內(nèi)皮祖細(xì)胞的細(xì)胞周期停滯。TNF-

α

是體外祖細(xì)胞凋亡的有效誘導(dǎo)劑，可促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞凋亡，而COPD患者的TNF-

α

水平升高。

吸煙引起的氧化應(yīng)激是COPD的主要危險因素。與健康非吸煙者相比，吸煙者和COPD患者（GOLD 2）的內(nèi)皮祖細(xì)胞中DNA衰老和損傷水平更高，血管生成能力受損，且這些變化與年齡無關(guān)，表明香煙煙霧誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激可導(dǎo)致內(nèi)皮祖細(xì)胞的系統(tǒng)性損傷，而其子細(xì)胞可以“繼承”這種DNA損傷，從而引起表觀遺傳變化。

COPD合并慢性低氧血癥的患者血漿去甲腎上腺素水平和

β

2AR的活化均升高，導(dǎo)致活性氧（ROS）表達(dá)增加和內(nèi)皮祖細(xì)胞功能障礙。予以

β

2AR拮抗劑治療后，可以觀察到內(nèi)皮祖細(xì)胞內(nèi)ROS的表達(dá)降低，增殖能力提高。

重組人C反應(yīng)蛋白（CRP）在一定濃度下（≥15 mg·mL）可顯著減少內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量，并抑制其功能。AECOPD 患者的CRP和IL-6表達(dá)升高，內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量減少，且功能受損，這表明內(nèi)皮祖細(xì)胞功能障礙可能與炎癥反應(yīng)增強(qiáng)有關(guān)。

COPD患者肺中內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EndMT）的過程被激活。間充質(zhì)細(xì)胞是修復(fù)傷口的關(guān)鍵結(jié)締組織細(xì)胞。成纖維細(xì)胞是肺中主要的間充質(zhì)細(xì)胞，在氣道重塑和肺泡組織間質(zhì)修復(fù)中起重要作用。EndMT意味著內(nèi)皮細(xì)胞失去黏附特性和極性，形成高度侵襲性的成纖維細(xì)胞/成肌纖維細(xì)胞。據(jù)報道，內(nèi)皮祖細(xì)胞可以在許多疾病中轉(zhuǎn)化為間充質(zhì)樣細(xì)胞。COPD患者中是否存在EndMT或內(nèi)皮祖細(xì)胞轉(zhuǎn)化為間充質(zhì)樣細(xì)胞尚需進(jìn)一步研究。

2.2 基礎(chǔ)研究

肺氣腫是COPD的主要病理特征，也是COPD發(fā)病機(jī)制研究的熱點(diǎn)。肺氣腫動物模型的建立有多種方式，根據(jù)不同的機(jī)制，采用了各種建模方法來建立肺氣腫或COPD的動物模型，從而使探索內(nèi)皮祖細(xì)胞在COPD發(fā)病機(jī)制中的作用成為可能。

2.2.1 動物模型中內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量 研究表明，肺氣腫小鼠中內(nèi)皮祖細(xì)胞的數(shù)量明顯減少。胰高血糖素樣肽1（GLP-1）可以減輕肺內(nèi)炎癥反應(yīng)，增加小鼠內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量，降低肺氣腫面積。Shi等將內(nèi)皮祖細(xì)胞移植到徑吸煙誘導(dǎo)的 COPD 小鼠氣管中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量增加可以減輕肺氣腫，降低氣道阻力，增加肺順應(yīng)性。

2.2.2 動物模型中內(nèi)皮祖細(xì)胞的功能

① 內(nèi)皮祖細(xì)胞的生物活性：基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）與許多生理和病理過程有關(guān)，其中MMP-2和 MMP-9通過不同的基質(zhì)蛋白在肺組織重建和修復(fù)中起重要作用。MMP-9可以釋放可溶性配體（sKitL）將靜止?fàn)顟B(tài)的造血干細(xì)胞變?yōu)樵鲋碃顟B(tài)，同時，MMP-9還可通過細(xì)胞外間質(zhì)降解、中性粒細(xì)胞趨化和炎癥增強(qiáng)等途徑介導(dǎo)肺部炎癥反應(yīng)。MMP-2可損害內(nèi)皮祖細(xì)胞功能，特別是血管生成能力。MMP-2和MMP-9在COPD 患者和肺氣腫小鼠中的表達(dá)均升高。但也有研究發(fā)現(xiàn)肺氣腫小鼠的MMP-9活性、

c-Kit

基因和蛋白的表達(dá)以及sKitL水平均降低，導(dǎo)致從骨髓到外周血的內(nèi)皮祖細(xì)胞供應(yīng)減少。② 炎癥反應(yīng)與內(nèi)皮祖細(xì)胞：在COPD整個過程中以及急性發(fā)作期間，炎癥反應(yīng)被認(rèn)為是最重要的機(jī)制。在吸煙誘導(dǎo)的COPD小鼠中，氣管內(nèi)內(nèi)皮祖細(xì)胞移植降低了肺組織中MMP-2、MMP-9的活性和TUNEL陽性細(xì)胞的數(shù)量，因此減少了氣道炎癥，減輕了肺氣腫。內(nèi)皮祖細(xì)胞在體外抑制脂多糖（LPS）刺激的嗜中性粒細(xì)胞中TNF-

α

、IL-1

β

、髓過氧化物酶（MPO）和MMP-9的分泌，減少炎癥細(xì)胞的浸潤，減輕肺損傷。

③ 氧化-抗氧化失衡與內(nèi)皮祖細(xì)胞：氧化-抗氧化劑失衡是COPD的重要機(jī)制，在AECOPD患者中，ROS引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)增加。香煙煙霧和其他有害顆粒物在吸入時會產(chǎn)生過多的氧化物，從而直接損害肺組織。氧化物不僅可以直接破壞蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸等生化大分子物質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙或細(xì)胞死亡，還可以破壞細(xì)胞外基質(zhì)，引起蛋白酶-抗蛋白酶失衡。

Shi等以香煙煙霧暴露法建立COPD小鼠模型，并在第30日和第90日對COPD小鼠氣管注射內(nèi)皮祖細(xì)胞。第120日測定肺功能、細(xì)胞凋亡、炎癥細(xì)胞、MMP-2和 MMP-9的水平，結(jié)果表明，注射內(nèi)皮祖細(xì)胞可以增強(qiáng)肺泡中MMP-2和MMP-9的表達(dá)。早期和晚期內(nèi)皮祖細(xì)胞治療均能明顯抑制小鼠血清和肺泡灌洗液的抗氧化活性的降低，減輕肺氣腫的發(fā)生，且早期干預(yù)組的抗氧化活性高于晚期干預(yù)組。這提示內(nèi)皮祖細(xì)胞氣管內(nèi)注射可能通過減輕炎癥浸潤、抑制蛋白水解酶活性、提高抗氧化活性等途徑減輕肺氣腫，延緩肺功能障礙的進(jìn)展。

④ 內(nèi)皮祖細(xì)胞和彈性蛋白酶-抗彈性蛋白酶失衡：彈性蛋白酶系統(tǒng)失衡會分解COPD患者肺部的組織蛋白。炎性細(xì)胞可以釋放彈性蛋白酶，過多的彈性蛋白酶會損害肺實(shí)質(zhì)，造成肺氣腫。內(nèi)皮祖細(xì)胞可在體外抑制中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶（NE）的分泌，體內(nèi)移植的內(nèi)皮祖細(xì)胞可以下調(diào)NE水平并減輕肺損傷。內(nèi)皮祖細(xì)胞還可能參與了肺氣腫或COPD中彈性蛋白酶失衡的機(jī)制。肺氣腫小鼠的Alpha1-抗胰蛋白酶濃度降低。氣管內(nèi)注射內(nèi)皮祖細(xì)胞可降低MMP-2和MMP-9的表達(dá)，抑制蛋白水解酶的活性，并部分緩解吸煙引起的肺氣腫。內(nèi)皮祖細(xì)胞移植可以通過抑制NE表達(dá)減輕大鼠肺損傷，通過調(diào)節(jié)蛋白酶系統(tǒng)并控制內(nèi)皮祖細(xì)胞對血管生成過程的影響，有效地控制病理性血管生成。然而，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮祖細(xì)胞可以表達(dá)NE，通過調(diào)節(jié)脂聯(lián)素的活性和修復(fù)受損血管能力來改善內(nèi)皮功能。但是，在COPD或肺氣腫的動物模型中還沒有這方面的相關(guān)研究。

⑤ 內(nèi)皮祖細(xì)胞和表觀遺傳學(xué)變化：5-Aza-2'-脫氧胞苷（5-Aza-CdR，又名地西他濱）是使用最廣泛的DNA甲基化抑制劑，可觸發(fā)脫甲基化，從而導(dǎo)致表觀遺傳沉默基因的連續(xù)激活。5-Aza-CdR可以顯著降低CSE處理小鼠內(nèi)皮祖細(xì)胞中的p16 mRNA的升高。CSE處理后小鼠內(nèi)皮祖細(xì)胞的增殖、黏附和分泌能力降低，eNOS的表達(dá)水平下降，而地西他濱可以減輕上述變化。此外，地西他濱能增強(qiáng)CSE誘導(dǎo)的肺氣腫小鼠內(nèi)皮祖細(xì)胞和肺組織中干細(xì)胞抗原-1（Sca-1）的表達(dá)，從而改善小鼠肺氣腫。這些結(jié)果提示，DNA甲基化影響了內(nèi)皮祖細(xì)胞的功能障礙和衰老，這可能與肺氣腫的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。

2.3 內(nèi)皮祖細(xì)胞在 COPD 治療中的應(yīng)用

一項(xiàng)研究招募了80例COPD合并肺動脈高壓的患者，分為對照組和治療組。對照組常規(guī)給予氧氣、抗感染、祛痰等治療，治療組給予Rho激酶抑制劑法舒地爾和常規(guī)治療。結(jié)果顯示，法舒地爾降低了COPD和肺動脈高壓患者的肺動脈壓，其機(jī)制之一是外周血中內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量增多和功能增強(qiáng)減少了肺內(nèi)皮的損害并改善了肺血管結(jié)構(gòu)的重建，從而達(dá)到治療效果。另一項(xiàng)研究比較了內(nèi)皮祖細(xì)胞移植加常規(guī)療法與單純常規(guī)療法對特發(fā)性肺動脈高壓患者的療效。結(jié)果顯示，內(nèi)皮祖細(xì)胞移植加常規(guī)治療組的患者在6 min內(nèi)行走距離顯著增加，平均肺動脈壓、肺血管阻力明顯下降，心輸出量上升。在小鼠模型中，內(nèi)皮祖細(xì)胞的氣管內(nèi)移植可通過減少炎癥浸潤，減少凋亡，抑制蛋白水解活性和增加抗氧化活性來減輕肺氣腫和肺功能障礙。由此看來，提高內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量或提升其功能可能對COPD患者大有裨益。此外，已有臨床研究證實(shí)，通過動員內(nèi)皮祖細(xì)胞可以促進(jìn)慢性遷延不愈傷口的好轉(zhuǎn)，內(nèi)皮祖細(xì)胞移植后心肌梗死患者的心肌存活率和灌注顯著增加，內(nèi)皮祖細(xì)胞自體移植對嚴(yán)重肢體缺血患者具有明顯療效。這些研究也提示：除了戒煙和運(yùn)動，外源性祖細(xì)胞或負(fù)責(zé)激活內(nèi)源性祖細(xì)胞體液因子的給藥可能是新的COPD的潛在療法。

在COPD患者和肺氣腫動物模型中，內(nèi)皮祖細(xì)胞數(shù)量的變化和生物學(xué)活性的損害是導(dǎo)致COPD或肺氣腫進(jìn)展的重要因素。此外，肺氣腫的主要發(fā)病機(jī)制，例如炎癥、氧化-抗氧化失衡、表觀遺傳學(xué)等，也與內(nèi)皮祖細(xì)胞相關(guān)，內(nèi)皮祖細(xì)胞在COPD或肺氣腫發(fā)病機(jī)制中的重要性有目共睹，促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞在血管生成中作用的潛在機(jī)制可被視為COPD末來新治療方法的努力方向。