間充質干細胞治療肺纖維化的研究進展

陳民佳，汪曉月，陳客宏，陸紅祥

(陸軍軍醫大學大坪醫院 消化內科，重慶 400042)

肺纖維化(pulmonary fibrosis，PF)是以成纖維細胞增殖及大量細胞外基質聚集，并伴有炎性反應、組織結構破壞為特征的一大類肺部疾病，是正常的肺泡組織損傷后經過異常修復而導致的結構異常(瘢痕形成)。近年來，隨著對PF發病機制的深入研究，集中在探索一些抗纖維化的新藥。目前臨床上常用的藥物如免疫抑制劑，吡非尼酮等都只能在疾病早期進行干預治療。PF終末期除了長期氧療和肺移植外，尚無較好的治療手段。

間充質干細胞(mesenchymal stem cells, MSCs)是一種具備多向分化潛能、趨化特性、免疫調節作用及旁分泌功能的多能干細胞，能通過分泌多種細胞因子和可溶性因子，促進組織再生，具有抗感染和抗纖維化的特性[1-2]。在以往的研究中，將MSCs用于肺組織修復和再生的研究取得了系列進展。MSCs不僅降低炎性因子水平，減少活化的成纖維細胞和膠原的沉積，還能促進上皮修復，表明MSCs可能是PF疾病的一種新型治療選擇[3]。然而，將MSCs用于PF治療也存在以下問題，如：動物和人類之間的差異、臨床試驗的樣本量較小、出現不良反應和伴隨腫瘤形成等[4]。因此，將MSCs用于PF的臨床治療仍需進一步的研究。本文擬對MSCs在治療特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)、放射性肺纖維化(radiation PF,RPF)和硅肺性PF等中的有效性、安全性及異源性進行探討，為后續開展MSCs治療PF的臨床試驗提供參考。

1 間充質干細胞的基本特性及應用前景

MSCs是一種多能干細胞，它具有干細胞的所有共性，即自我更新和多向分化能力。MSCs可以從不同類型的組織中獲得，如骨髓、脂肪組織和臍帶血等。其中骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BM-MSCs)是干細胞治療的主要來源[5]。根據國際細胞治療學會的指導方針，可以通過特定的細胞表面標志物(CD1051、CD731、CD901、CD34-、CD14-或CD11b-、CD79-或CD19-、HLA-DR-)來鑒定MSCs。此外，多向成骨、成脂和成軟骨的分化潛能是MSCs定義的主要標準。根據組織來源及分離和培養過程的不同，MSCs可能具有不同的生物學特性,它們的多能性、遷移能力和免疫保護狀態使其在多種疾病中的治療作用得到了廣泛的應用，這些疾病主要包括(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)、嚴重的慢性哮喘[6]、糖尿病[7]和膿毒癥[8]等。這些研究證據表明，MSCs在人類疾病的治療過程中具有良好前景。

2 間充質干細胞在肺纖維化(PF)治療中的應用

2.1 間充質干細胞在特發性肺纖維化(IPF)治療中的應用

特發性肺纖維化(IPF)是一種進行性不可逆轉的致死性纖維化性肺部疾病，是間質性肺病(interstitial lung disease，ILD)的最常見形式。目前對IPF發病機制的認識尚不清楚，尚無有效的治療方案，IPF已成為一種最具生命威脅的疾病。

在博萊霉素誘導的肺纖維化動物模型的初期和早期給予骨髓間充質干細胞(BM-BMSCs)治療后，可降低肺組織的炎性因子水平、減少活化的成纖維細胞和膠原的沉積、促進上皮細胞修復等。然而，將BMSCs用于治療肺纖維化晚期時，未觀察到明顯的治療作用[3]。同時，為探討脂肪間充質干細胞(adipose-derived mesenchymal stem cells，AD-MSCs)的治療效果，治療組在小鼠氣管內注射博萊霉素后的第3、6和9天分別通過尾靜脈注射MSCs，對照組則從第3天起以100 mg/kg口服吡非尼酮，每日3次。AD-MSCs能明顯提高小鼠的存活率，減輕肺臟質量，減少膠原沉積，其治療效果優于吡非尼酮組。同時，組織學分析和HRCT同樣證實AD-MSCs對博萊霉素誘導的肺纖維化有保護作用[9]。一項I期臨床試驗表明在給IPF患者靜脈單次注射同種異源體數量為2×108個BMSCs后，受試者隨訪6個月期間內沒有觀察到用力肺活量(forced vital capacity，FVC)、一氧化碳彌散性肺活量(diffusion capacity for carbon monoxide of the lung，DLCO)、6 min步行試驗(6MWT)或CT纖維化評分的下降，表明干細胞治療具有良好安全性[10]。

MSCs防治IPF的作用機制尚不明確。目前的研究認為AD-MSCs和AD-MSCs的條件培養液可通過調節細胞外基質(extracelluar matrix，ECM)誘導的白介素17(interleukin 17，IL-17)介導的免疫反應來減輕博萊霉素誘導的大鼠肺纖維化[11]。BM-BMSCs減輕肺纖維化的保護作用主要歸因于BM-BMSCs釋放白細胞介素-1受體拮抗劑，導致IL-1和腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的表達和/或活性降低[12]。通過檢測肝細胞生長因子((hepatocyte growth factor，HGF)及其參與的PI3K/AKT/mTOR通路蛋白的表達，得出源自人臍帶沃頓膠間充質干細胞的外泌體可以通過增加HGF信號轉導來抑制博萊霉素誘導的肺組織凋亡和纖維化及PI3K/AKT/mTOR活化，而HGF mRNA缺陷型細胞微泡(microvesicles，MVs)可逆轉這一作用[13]。

2.2 間充質干細胞在放射性肺纖維化(RPF)治療中的應用

RPF是在胸部腫瘤如乳腺癌、食管癌、肺癌和其他惡性腫瘤進行放射治療后，導致肺結構的破壞和纖維組織的堆積，從而使機體的氣體交換功能發生改變，導致呼吸困難和間質液體堆積，最終引發呼吸衰竭和死亡[14]。RPF的患者的生活質量降低，并伴有進行性和不可逆轉的器官功能障礙。

BM-MSCs能產生抗氧化酶如超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase1，SOD1)、超氧化物歧化酶3(SOD3)和錳超氧化物歧化酶(MnSOD)來降低氧化應激和活性氧水平，保護肺組織免受輻射導致的內皮損傷[15]。與未修飾的MSCs相比，攜帶SOD3或MnSOD基因的MSCs在照射后的肺中顯示出更強的抗纖維化作用[16]。一項臨床研究中，11例乳腺癌或淋巴肉芽腫病患者接受了自體BM-MSCs結合標準療法的治療后，患者對放射的反應穩定，在炎性反應和免疫狀態方面沒有不良變化[17]。用臍帶間充質干細胞(umbilical cord mesenchymal stem cells，UC-MSC)治療放射性肺纖維化(radiation pulmonary fibrosis，RPF)無嚴重的不良反應，且能夠降低CT肺密度和改善臨床癥狀首次證實了UC-MSC治療RPF是相對安全和有效的[18]。盡管體外和體內證據表明，基于MSCs的治療放射性肺纖維化是有效的，但仍需要更大樣本量的臨床試驗加以證實。

對于MSC治療RPF的機制有許多。有研究發現UC-MSC是通過減少生長轉化因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)抑制纖維化的形成[18]。MSCs通過Wnt信號通路直接影響輻射后肌成纖維細胞的聚集，并減少肌成纖維細胞的分化[19]。MSCs分泌的HGF通過肝細胞生長因子受體降低肺泡Ⅱ型上皮細胞(alveolar typeⅡepithelial cell, AT-Ⅱ)的上皮細胞間充質轉化(epithelial- mesenchymal transition，EMT)，從而以基質金屬蛋白酶(matrix metallo-protein, MMP)依賴的方式誘導肌成纖維細胞凋亡[20]。經修飾后過表達肝細胞因子的BM-MSCs能夠減少輻射誘導的肺纖維化[21]。然而對于MSCs治療RPF過程中是否會導致細胞內蛋白修飾的改變，是否會影響細胞間通訊的變化,等等，從而發揮治療的作用，尚需要進一步的研究。

2.3 間充質干細胞在矽肺性肺纖維化(PF)治療中的應用

矽肺是由吸入結晶性二氧化硅粉塵引起的一種不可逆性、慢性、纖維增生性肺病。這是一種世界性的職業病，一旦發病很難扭轉，目前的治療大都是采用延緩PF藥物和肺灌洗，但治療效果不理想。

研究發現BM-MSCs在注入二氧化硅建立的矽肺模型的小鼠體內后，細胞遷移到肺損傷區域，減輕了PF[22]。與硅膠組相比，BM-MSCs治療組大鼠肺泡間質增厚減輕，細胞結節減少，膠原沉積減少,證明了BM-MSCs抑制PF,并保護受損的上皮細胞[23]。BM-MSCs還通過減少內質網壓力和抑制內皮細胞的自噬來抑制內皮細胞間充質細胞轉化(endothelial-mesenchymal fransition, End-MT)[24]。通過對已經成早期(塵染4周)PF的矽肺小鼠進行連續輸注BM-MSCs能有效改善矽肺小鼠的肺纖維化，并認為其結果可能是通過調節輔助性T 細胞17(T helper cell 17, Th17)/調節性T細胞( regulatory T cell，Treg)失衡來緩解矽肺小鼠肺纖維化進程[25]。BM-MSCs移植可以減輕二氧化硅處理動物肺的病理改變，恢復上皮特征，減少特定蛋白表達所顯示的間質特征。研究認為Wnt/β-catenin信號通路的減弱可能是BM-MSCs抗纖維化作用的機制之一[26]。BM-MSCs很難分化為上皮細胞，所以BM-MSCs的抗纖維化作用主要是通過旁分泌方式發揮的，而不是通過其分化能力發揮作用[22]。這些結果提供了有關二氧化硅誘導的PF的新信息，并確定了未來治療的潛在和可能的靶點。

3 問題與展望

基于MSCs的免疫調節和組織修復功能，目前在多種PF動物模型已證實MSCs可有效改善PF。在多項MSCs治療PF的臨床研究中發現，MSCs在緩解肝臟、腎臟纖維化方面有不錯的進展，且并無嚴重不良反應。但是，目前還存在最佳給藥途徑和時間，確切的劑量方案和重復治療的必要性，以及同種異體或自體MSCs的使用和MSCs的最佳來源等問題，還需進行大樣本隊列研究來證明。從動物實驗到臨床仍然還有很長距離，隨著細胞生物技術的發展應用，相信對于干細胞治療PF的機制會有更深入和全面的認識，更多的潛在治療靶點將會被發現。