間充質干細胞分化治療肺部疾病相關實驗的研究進展

張鵬飛,徐廣全

(哈爾濱醫科大學附屬第二醫院 胸外科,黑龍江 哈爾濱　150086)

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間充質干細胞分化治療肺部疾病相關實驗的研究進展

張鵬飛,徐廣全

(哈爾濱醫科大學附屬第二醫院 胸外科,黑龍江 哈爾濱150086)

[摘要]間充質干細胞具有多向分化潛能,可分化成多個胚層的細胞,能夠被Ⅱ型肺泡上皮細胞誘導分化成為上皮細胞,特異性地參與肺組織再生,為肺部疾病治療提供新途徑。作者對誘導間充質干細胞分化成為肺泡上皮細胞、進而參與治療肺部疾病的體內體外相關實驗研究進展作一綜述。

[關鍵詞]間充質干細胞; 分化; 肺泡上皮細胞; 肺部疾病; 文獻綜述

急性肺損傷(ALI)、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)及特發性肺纖維化(IPF)等能夠引起患者呼吸困難、缺氧及一些嚴重的繼發性疾病。近年來,由于吸煙及空氣質量下降等因素[1- 2]導致上述疾病的發病率明顯增加,給人類健康帶來了極大危害。盡管在對肺部疾病患者進行有針對的呼吸支持和藥物治療等方面取得了巨大的進展,但病死率仍高達40%[3- 4]。

近期研究表明,具有多向分化潛能的間充質干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)能夠被肺組織中遍布的、在肺損傷修復中起到祖細胞作用的Ⅱ型肺泡上皮細胞誘導分化成為上皮細胞,特異性參與肺組織的再生[5- 7]。表明MSC可用于治療多種肺部疾病,為肺部疾病的治療開辟了一條新的途徑。而在MSC分化治療肺部疾病的研究過程中,尋找誘導其分化成為肺細胞的方法、探索其分化的相關機制是近年來的熱點。目前,大部分體內實驗研究和不同誘導方式的體外實驗都證實,MSC可能分化成為肺上皮細胞。作者對誘導MSC分化成為肺泡上皮細胞、進而參與治療肺部疾病的體內體外相關實驗研究進展作一綜述。

1MSC誘導分化治療肺部疾病的體內研究

Zhao 等[8]構建大鼠肺氣腫模型后,實驗組將MSC注入大鼠尾靜脈,與對照組相比發現,兩組平均肺泡數目和肺泡面積有明顯差異,表明移植MSC后明顯改善了肺部炎癥和病理狀態。并且用Brdu標記的MSC有部分CK陽性,還說明了MSC表達了一部分肺細胞的表型。Mattsson等[9]在接受了雄性大鼠骨髓細胞移植的雌性個體肺內發現了雄性供體的肺Ⅱ型上皮細胞,也在體內證實了MSC分化為肺細胞的可能。但是,Zhang等[5]發現,MSC在 HIF- 1α和SDF- 1的調節下造成肺部纖維化而非分化成肺上皮細胞,可見MSC分化的誘導可能受多種因素調節。

2MSC誘導分化對肺部疾病治療的體外研究

目前運用比較廣泛的體外誘導方法大約有以下幾類：共培養模型、使用小氣道生長培養基、使用條件培養基等[10]。

Popov等[11]在2007年發現,將MSC和a- 549細胞共培養可能誘導MSC分化。Li 等[12]也發現,羊水MSC經過KOSR和激活素a等刺激后可分化成為Ⅱ型肺上皮細胞。Wu等[13]將MSCs轉染了EGF,并加入了鈣離子之后,體外實驗中可以觀察到MSC向上皮細胞轉化,并且有多種標志物表達(角蛋白、K19、β1- integrin, E- cadherin、 p- FAK、 Ser- 910)。Perng 等[6]在氣液界面培養系統中,通過加入特殊的主氣道上皮細胞的培養基,骨髓MSC發生了與主氣道上皮細胞相似的形態學變化,證明了這種方法能夠誘導MSC分化成為類上皮細胞。Ma等[14]在體外利用MSC和mrc- 5細胞共培養,在加入改良的上皮細胞培養液 15 d 時,MSC形態與肺上皮細胞相似,并且發現5%左右的細胞可以表達肺Ⅱ型肺泡上皮細胞特異性的蛋白SP- C,可以分化成為Ⅱ型肺細胞,表明MSC中肺特異性的亞型可能決定了是否分化。

3MSC誘導分化對肺部疾病治療的相關機制

越來越多的研究表明,Wnt/β- catenin信號通路在MSC的生長和分化中起到重要作用,包括成骨分化、軟骨形成、脂肪形成和肌生成。Wnt/β- catenin信號通路還被證實參與了上皮干細胞的自我更新和分化,還有可能減輕肺損傷[7,15]。BM- MSCs表達一定量的內源性wnt蛋白,并調節MSC的Wnt/β- catenin 信號通路以維持增殖。經典的wnt信號通路能夠促進MSC向肺Ⅱ型上皮細胞分化[16],Wnt/β- catenin 信號通路可以通過自分泌或旁分泌起作用。MSC與經熱處理的a- 549細胞共培養后發現,MSC表達了多種肺上皮細胞的標志物，而且加入氯化鋰后會促進其表達,證明了MSC的分化可能是受到了旁分泌影響。Popov等[11]認為,β- catenin信號通路可能與氯化鋰相互協同促進了上皮細胞標志物的表達。用小氣道培養基進行哺乳類epithelial- 12細胞與MSC共培養,在加入wnt5a激活了非典型的wnt信號通路之后,MSC的SP- C、SP- B、SP- D(肺Ⅱ型上皮細胞的表面標志物)表達增加,而加入JNK及PKC抑制信號通路之后,wnt5a的促進作用被逆轉,證明非經典的wnt信號通路參與了促進MSC的分化。另外,MSC分化率也取決于他們在炎性組織中的聚集和生存能力。Liu等[16]發現,wnt5a促進了MSC橫向和縱向的移動能力,同時減少了H2O2介導的Bcl- 2/Bax比例,從而抑制凋亡。綜上所述,Wnt/β- catenin信號通路可能參與了MSC向肺細胞分化。但是,也有文獻報道,激活Wnt/β- catenin信號通路會抑制MSC向肺細胞分化[17],此外,Wang等[7]通過抑制Wnt/β- catenin信號通路的小分子XAV939,證明抑制Wnt/β- catenin信號通路可能促進MSC分化成為肺上皮細胞,這個過程可能修復由博來霉素誘導的肺纖維化,結果提示抑制Wnt/β- catenin可以改善肺纖維化。出現這種相反的研究結果很可能與誘導方法及特異性MSC亞群有關。

4其他

近期研究表明,肺固有間充質干細胞(lung resident mesenchymal stem cells,LR- MSCs)可以分化成為Ⅱ型肺上皮細胞[18]。LR- MSCs與正常起源于骨髓的干細胞相比,在細胞因子和基因表達譜上不同,所以是兩種不同的細胞。Shi 等[17]通過磁珠分選法分離了scal+和CD45+、CD31+細胞,即肺固有間充質干細胞,與正常MSC相比,LR- MSCs可能在治療肺組織損傷上更加有效。將LR- MSCs與Ⅱ型肺上皮細胞共培養14 d后,超過75%的細胞形態發生了明顯變化,在電鏡下可以觀察到板層小體。共培養至第3天和第7天時,β- catenin增加,GSK- 3β減少。然而第14天時,上述兩個標志性基因表達卻相反,而且兩種物質的磷酸化水平和蛋白相比結果同樣相反。這說明β- catenin及GSK- 3β的表達量并不是一成不變,這一結果可能是Wnt/β- catenin通路與MSC分化研究中得出的矛盾結論的原因之一。

5展望

MSC由于易于獲取、低免疫原性等優點成為近年來治療肺部疾病的研究熱點[19]。多種因素會影響MSC向肺組織分化,如受損的肺組織、TGF-β1、KOSR和激活素a、Wnt/β- catenin信號通路、EGF及鈣離子等。體內外研究表明,MSC的誘導分化參與了相關的信號通路,并且各個亞群會出現不同的分化特性?；谶@一點,在肺部疾病的治療中應用特異的MSC亞群，聯合相應的通路激活或抑制藥物進行分化修復治療,可能會成為肺部疾病治療的新途徑。

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doi:10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.02.032

[中圖分類號]R- 331

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671- 6264(2016)02- 0266- 03

[通信作者]徐廣全E- mail:13904503643@163.com

[作者簡介]張鵬飛(1991-),男,山西應縣人,在讀碩士研究生。E- mail:zhangahe2@126.com

[基金項目]黑龍江省自然科學基金面上項目(C201204)

[收稿日期]2015- 12- 07[修回日期] 2016- 01- 07

[引文格式] 張鵬飛,徐廣全.間充質干細胞分化治療肺部疾病相關實驗的研究進展[J].東南大學學報:醫學版,2016,35(2)：266- 268.

·綜述·