間充質(zhì)干細(xì)胞治療急性呼吸窘迫綜合征的相關(guān)機(jī)制及研究進(jìn)展

任潔 鄭洋

急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)作為常見的呼吸系統(tǒng)重癥疾病,是指由各種肺內(nèi)和肺外致病因素所導(dǎo)致的急性彌漫性肺損傷和進(jìn)而發(fā)展的急性呼吸衰竭［1］,臨床表現(xiàn)為呼吸窘迫和難治性低氧血癥,肺部影像學(xué)可見不能用積液、肺不張或結(jié)節(jié)來完全解釋的雙側(cè)浸潤影［2］。急性呼吸窘迫綜合征的臨床癥狀嚴(yán)重且治療方法相對(duì)較少,因此目前病死率仍然很高,約為35%～46%［3］。而間充質(zhì)干細(xì)胞具有沿不同譜系分化的能力,具有特殊的治療潛能,可作為治療急性呼吸窘迫綜合征所致肺損傷的方案之一。

1 急性呼吸窘迫綜合征的形成機(jī)制

急性呼吸窘迫綜合征的本質(zhì)是多種炎癥細(xì)胞(巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞、血小板)及其釋放的炎癥介質(zhì)(如彈性蛋白酶、組織蛋白酶、膠原酶、明膠酶等)和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-8(interleukin-8,IL-8)和白三烯(leukotrienes,LTs)等細(xì)胞因子間接介導(dǎo)的肺臟炎癥反應(yīng)［1］。此外肺泡上皮細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡增加,炎癥細(xì)胞凋亡延遲；凝血/纖溶系統(tǒng)失衡,局部凝血亢進(jìn)；氧自由基過度產(chǎn)生引起氧化應(yīng)激狀態(tài)；肺泡液體清除異常等機(jī)制［4］相互影響,最終引起靶細(xì)胞損害,表現(xiàn)為肺毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡上皮細(xì)胞損傷,肺微血管通透性增高和微血栓形成,肺泡腔滲出富含蛋白質(zhì)的液體,進(jìn)而導(dǎo)致肺水腫和透明膜形成。

2 間充質(zhì)干細(xì)胞

間充質(zhì)干細(xì)胞是從多種生物組織(成人骨髓和脂肪組織以及新生兒組織(如臍帶和胎盤)中分離出來的。在體外,間充質(zhì)干細(xì)胞表現(xiàn)出廣泛的增殖能力和多能性的生物學(xué)特征［5］。許多研究顯示,間充質(zhì)干細(xì)胞能夠分化為其他中胚層起源的細(xì)胞類型,包括成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、心肌細(xì)胞和軟骨細(xì)胞［6］。這種分化潛力為間充質(zhì)干細(xì)胞在組織損傷中的應(yīng)用提供了條件［7］。國際細(xì)胞治療學(xué)會(huì)(ISCT)與組織干細(xì)胞委員會(huì)定義了人類間充質(zhì)干細(xì)胞的最低標(biāo)準(zhǔn)：①在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)條件下間充質(zhì)干細(xì)胞具有塑料粘附性；②間充質(zhì)干細(xì)胞必須表達(dá)糖類抗原(CD)105、CD73 和CD90,并且缺乏CD45、CD34、CD14 或CD11b、CD79α 或CD19 和人類白細(xì)胞DR 抗原(HLA-DR)表面分子的表達(dá)；③間充質(zhì)干細(xì)胞必須具備在體外分化為成骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞和軟骨成形細(xì)胞的能力［8］。

3 間充質(zhì)干細(xì)胞治療急性呼吸窘迫綜合征的機(jī)制

間充質(zhì)干細(xì)胞的治療潛力具有獨(dú)特性,主要包括以下方面：有遷移到損傷部位的能力,能分泌致使細(xì)胞死亡或存活以及調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)所需的可溶性因子,有分化成幾種細(xì)胞譜系的能力,具有低免疫原性,以及它們的分離和培養(yǎng)較為簡單［9］。

3.1間充質(zhì)干細(xì)胞的歸巢與分化 眾所周知,靜脈輸注間充質(zhì)干細(xì)胞會(huì)在肺部積聚［10］,而間充質(zhì)干細(xì)胞可以分化成上皮樣細(xì)胞以取代受損組織［11］,這對(duì)肺部疾病治療有很大益處。Ortiz 等［12］的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),用間充質(zhì)干細(xì)胞治療博萊霉素(BLM)造模的肺損傷小鼠,它們會(huì)歸巢于肺部,減少肺組織中的炎癥和膠原沉積。同時(shí),間充質(zhì)干細(xì)胞在體內(nèi)和體外能分化為Ⅱ型肺泡上皮(ATⅡ)細(xì)胞,這對(duì)于急性呼吸窘迫綜合征的再上皮化和恢復(fù)至關(guān)重要［13］。

3.2間充質(zhì)干細(xì)胞的免疫調(diào)節(jié) 間充質(zhì)干細(xì)胞可以通過調(diào)節(jié)嗜中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞(DC)、T 細(xì)胞、B 細(xì)胞和自然殺傷(NK)細(xì)胞的活性來影響先天性和適應(yīng)性免疫［14］。例如：中性粒細(xì)胞殺菌主要通過兩種方式：一種是直接吞噬病原體；另一種是中性粒細(xì)胞壞死或者凋亡后會(huì)形成一種特殊的結(jié)構(gòu),稱為中性粒細(xì)胞胞外殺菌網(wǎng)絡(luò)(NETs)。Pedrazza等［15］的研究發(fā)現(xiàn)間充質(zhì)干細(xì)胞治療能夠調(diào)節(jié)肺部炎癥,減少氧化損傷,減少NETs 的形成,從而降低對(duì)肺組織造成的損害。

3.3間充質(zhì)干細(xì)胞增強(qiáng)肺損傷的修復(fù) 間充質(zhì)干細(xì)胞可以分泌多種生長因子,包括肝細(xì)胞生長因子(HGF)、角質(zhì)形成細(xì)胞生長因子(KGF)和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF),它們通過減少膠原積累和纖維化,在肺損傷的組織再生中起重要作用［16］。HGF 和VEGF 還可以恢復(fù)肺毛細(xì)血管通透性并穩(wěn)定肺內(nèi)皮屏障［17］。

3.4MSC-EVs 越來越多的證據(jù)表明,基于間充質(zhì)干細(xì)胞的免疫抑制主要?dú)w因于MSC-EVs 的影響。MSCEVs 富含間充質(zhì)干細(xì)胞來源的生物活性分子［信使核糖核酸(mRNA),微小核糖核酸(microRNA,miRNA)、細(xì)胞因子、趨化因子、免疫調(diào)節(jié)因子］,可調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的表型、功能和歸巢［18］。

MSC-EVs 可保護(hù)肺上皮細(xì)胞免受肺浸潤性中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞釋放的反應(yīng)性氧化物質(zhì)和蛋白水解酶的影響［19］。同時(shí),MSC-EVs 被證實(shí)是α-1-抗胰蛋白酶(α-1-AT)的天然載體,能夠促進(jìn)其在體內(nèi)的穩(wěn)定性和活性,并且在間充質(zhì)干細(xì)胞中,編碼α-1-AT的基因的表達(dá)通過化學(xué)刺激［白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和(或)地塞米松(DEX)］的存在而增加［20］,而α-1-AT 是肺部主要的彈性蛋白酶抑制劑,其可保護(hù)肺上皮細(xì)胞,并在肺部發(fā)揮重要的抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用［21,22］。

MSC-EVs 除α-1-AT 外,還含有46 種參與對(duì)革蘭陰性菌反應(yīng)的蛋白質(zhì),這意味著MSC-EVs 具有強(qiáng)大的抗菌活性［20］。Hao 等［23］證明MSC-EVs 的施用顯著降低了小鼠細(xì)菌性肺炎的嚴(yán)重程度,這可能與MSVEVs 通過促進(jìn)白三烯B4(LTB4)的合成,增加了肺浸潤性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞的吞噬細(xì)胞和抗微生物活性有關(guān)。

4 間充質(zhì)干細(xì)胞治療急性呼吸窘迫綜合征

盡管相關(guān)治療機(jī)制尚未完全明確,目前展開的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了間充質(zhì)干細(xì)胞治療急性呼吸窘迫綜合征的可行性和安全性。馮芳等［24］的實(shí)驗(yàn)通過大鼠模型證實(shí)了脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞可有效降低急性呼吸窘迫綜合征的炎癥水平,改善肺損傷；劉薇薇等［25］通過對(duì)13 例急性百草枯中毒致肺損傷患者加用臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞治療與否的療效對(duì)比發(fā)現(xiàn),間充質(zhì)干細(xì)胞治療顯著降低了急性肺損傷患者的死亡率,且未出現(xiàn)不良反應(yīng)。Wilson 等［26］的試驗(yàn)通過對(duì)9 例急性呼吸窘迫綜合征患者靜脈注射不同劑量的間充質(zhì)干細(xì)胞治療,表明了靜脈注射間充質(zhì)干細(xì)胞療法的耐受性和短期安全性。另外,間充質(zhì)干細(xì)胞治療還能促進(jìn)多器官衰竭的消退或增加無器官衰竭的天數(shù)［27］。

COVID-19 感染后,免疫系統(tǒng)被過度激活時(shí)會(huì)生成大量的炎癥因子,導(dǎo)致嚴(yán)重的細(xì)胞因子風(fēng)暴,引起急性肺損傷,重癥可發(fā)展為急性呼吸窘迫綜合征,最終導(dǎo)致患者死亡［28］。而Qu 等［29］對(duì)34 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)包含736 例患者的薈萃分析發(fā)現(xiàn),接受間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療后,多數(shù)重癥患者的癥狀得到了緩解,表明間充質(zhì)干細(xì)胞移植治療COVID-19 是可行的,且目前未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng),副作用很?。?0］。

然而在臨床應(yīng)用中,間充質(zhì)干細(xì)胞治療急性呼吸窘迫綜合征還存在一定問題。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、肺組織微環(huán)境對(duì)于干細(xì)胞功能影響大等問題都會(huì)限制干細(xì)胞治療效果［31］；實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的變量很難完全控制,給藥方式、給藥劑量目前尚未研究清楚,未來仍需要更多試驗(yàn)支持間充質(zhì)干細(xì)胞移植療法的可行性與安全性。

5 小結(jié)

間充質(zhì)干細(xì)胞為急性呼吸窘迫綜合征的治療提供了新的思路,甚至有望加入COVID-19 的治療方案。盡管目前干細(xì)胞移植的機(jī)制尚未完全清楚,臨床治療的具體操作方案、耐受性和長期安全性還需要依靠大量實(shí)驗(yàn)證實(shí),但無論如何這對(duì)于被疫情陰霾籠罩的世界都是值得期待的希望之火。