間充質(zhì)干細(xì)胞通過免疫調(diào)節(jié)機(jī)制治療炎癥性腸病的研究進(jìn)展

李 寧,金世柱,楊寧寧

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院消化內(nèi)科,哈爾濱 150086)

正常的腸道黏膜免疫系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),這依賴于促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子之間的平衡來維持,一旦平衡被打破,可能會導(dǎo)致效應(yīng)細(xì)胞過度增殖或調(diào)節(jié)細(xì)胞功能下降,從而引起黏膜炎癥。 目前炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)的確切病因和發(fā)病機(jī)制尚不清楚,但已有研究表明遺傳易感性、環(huán)境、微生物菌群失調(diào)等與IBD的過度免疫反應(yīng)和腸道黏膜損傷有關(guān),而這種持續(xù)的異常免疫反應(yīng)主要是由腸上皮屏障功能障礙和腸黏膜免疫調(diào)節(jié)缺陷所致[1]。 間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell,MSC)具有誘導(dǎo)損傷組織再生和細(xì)胞分化的潛力,它能使移植后的機(jī)體具有耐受性,這些特征使其成為治療IBD 的有效手段[2]。MSC 可以調(diào)控免疫反應(yīng),改善炎癥微環(huán)境,從而發(fā)揮抗炎作用,這也是MSC 治療IBD 的重要機(jī)制。

1 MSC 的概述

1966 年研究人員首次從豚鼠骨髓中分離出MSC,并將其培養(yǎng),此后,人們對其特點及治療作用的研究從未間斷[3]。 MSC 可從多種組織中分離培養(yǎng),如骨髓、臍帶血、胎盤、脂肪組織等。 MSC 是一種具有自我更新和多向分化潛能的成纖維細(xì)胞樣的基質(zhì)細(xì)胞[4],具有轉(zhuǎn)分化為多種中胚層細(xì)胞類型(如脂肪細(xì)胞、心肌細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞等)的能力[5]。 MSC 具有低免疫原性和免疫調(diào)節(jié)特性,在多種炎癥性疾病中具有治療作用,另外,MSC 可以在損傷部位釋放細(xì)胞因子抑制炎癥,表達(dá)生長因子刺激愈合,分泌免疫調(diào)節(jié)蛋白改變宿主免疫應(yīng)答并分泌抗凋亡因子等[6]。 但MSC 的儲存和運輸困難,在體內(nèi)存留時間短等弊端也為MSC 的移植帶來了挑戰(zhàn)[5]。 有研究表明,MSC 可以分泌外泌體,調(diào)節(jié)腸道免疫微環(huán)境,從而促進(jìn)損傷部位的細(xì)胞再生和組織修復(fù)[7]。 基于這些特性,以MSC 為基礎(chǔ)的細(xì)胞療法可能為某些難治性的炎癥性疾病和自身免疫性疾病的治療帶來了新的希望。

2 IBD 的概述

IBD 是一種復(fù)雜的免疫介導(dǎo)的胃腸道慢性復(fù)發(fā)性炎癥性疾病,它主要包括克羅恩病(Crohn’ s disease,CD) 和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)。 研究表明,腸道組織中異常激活的CD4+T 細(xì)胞浸潤是IBD 的核心特征,CD4+T 細(xì)胞主要包括輔助性T(helper T,Th)1、Th2、Th17 細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T(regulatory T,Tregs)細(xì)胞[8-9]。 雖然CD 和UC 都是由過度的免疫反應(yīng)引起,但導(dǎo)致疾病發(fā)生的T 細(xì)胞亞群不同。 CD 由產(chǎn)生干擾素(interferon,IFN)-γ 的Th1 細(xì)胞介導(dǎo),而UC 與Th2 細(xì)胞介導(dǎo)的免疫應(yīng)答相關(guān)[10-11]。 Th17 細(xì)胞可以產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子,如白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-17、IL-21、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α 等,現(xiàn)已證明Th17細(xì)胞在CD 和UC 的腸道炎癥中均發(fā)揮關(guān)鍵作用[12]。 另外,Tregs 細(xì)胞也與IBD 的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān),并且在維持腸道免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的過程中有重要作用[13]。 所以,Tregs 細(xì)胞與Th1、Th2 和Th17 細(xì)胞之間的平衡失調(diào)會促進(jìn)炎癥的發(fā)展,從而導(dǎo)致黏膜損傷和疾病進(jìn)展,這也是IBD 發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵性因素。

3 MSC 治療IBD 的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制

在IBD 動物模型的臨床前研究和臨床試驗中,MSC 治療IBD 已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)展。 MSC經(jīng)靜脈注射后,可歸巢至腸道損傷部位并定植于腸黏膜,在局部控制炎癥的發(fā)展,改善局部微循環(huán),修復(fù)受損組織[14]。 研究表明,MSC 治療IBD 主要是通過細(xì)胞間直接接觸以及旁分泌作用對T 細(xì)胞亞群,樹突狀細(xì)胞(dendritic cell,DC)和巨噬細(xì)胞進(jìn)行免疫調(diào)節(jié),恢復(fù)腸黏膜屏障,促進(jìn)損傷組織的修復(fù)[15-16]。 以下將詳細(xì)介紹MSC 治療IBD 的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制。

3.1 MSC 對T 細(xì)胞亞群的調(diào)節(jié)

3.1.1 Th1 與Th2 細(xì)胞

當(dāng)IBD 發(fā)生時,免疫系統(tǒng)的平衡受到破壞,Th細(xì)胞被腸道分泌物,腸道細(xì)菌和免疫相關(guān)蛋白激活,Th1 細(xì)胞引起黏膜炎癥,而Th2 細(xì)胞可以通過調(diào)節(jié)Th1 與Th2 的比率抑制過度的炎癥反應(yīng)[17-18]。MSC 通過抑制Th1 型促炎因子如TNF-α,IFN-γ 的表達(dá),并增強(qiáng)Th2 型抗炎因子如IL-10 的表達(dá)來發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[19]。 另外,MSC 可以通過表達(dá)吲哚胺2,3-雙加氧酶(indoleamine2,3-dioxygenase,IDO)誘導(dǎo)Th2 細(xì)胞的分化和成熟,從而導(dǎo)致色氨酸耗竭以及色氨酸代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生,而色氨酸代謝產(chǎn)物也促進(jìn)了Th1 細(xì)胞的凋亡[20]。

3.1.2 Th17 細(xì)胞

Th17 細(xì)胞是T 細(xì)胞的促炎亞型,當(dāng)Th17 細(xì)胞過多時會導(dǎo)致組織損傷,同時IL-17 的表達(dá)明顯增加,而IL-17 是IBD 發(fā)生的關(guān)鍵性因素,它可以使中性粒細(xì)胞聚集到周圍組織,以放大局部炎癥[21]。 研究表明,在IBD 的動物模型中應(yīng)用MSC 后,IL-17 的表達(dá)明顯降低,同時也降低了脾臟中IL-17/IFN-γ產(chǎn)生細(xì)胞的頻率,減少了中性粒細(xì)胞在腸道中的積累[19,22]。 另外,MSC 可抑制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)3 通路,使IL-17 的表達(dá)下降,從而抑制Th17細(xì)胞的分化,促進(jìn)IBD 損傷組織的修復(fù)[23]。

3.1.3 Tregs 細(xì)胞

腸道炎癥的調(diào)節(jié)與腸道中Tregs 細(xì)胞的存在及其功能密切相關(guān),Tregs 細(xì)胞可以抑制過度的炎癥反應(yīng),分泌抗炎因子IL-10 和轉(zhuǎn)化生長因子- β(transforming growth factoR-β,TGF-β),并表達(dá)叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子P3(fork-like transcription factor P3,FoxP3)[24]。 FoxP3 的高表達(dá)可通過活化的抗原呈遞細(xì)胞直接或間接抑制效應(yīng)T 細(xì)胞,從而導(dǎo)致其對自身抗原產(chǎn)生免疫耐受,保護(hù)組織免受傷害[25]。MSC 主要通過與細(xì)胞直接接觸或產(chǎn)生IL-10,TGF-β等抗炎因子,同時抑制IFN-γ,IL-17 等促炎因子的分泌,從而促進(jìn)CD4+T 細(xì)胞中Tregs 細(xì)胞的分化并抑制Th1 和Th17 細(xì)胞的分化[11,26]。 所以,在應(yīng)用MSC 治療IBD 后,腸炎的改善可能與Tregs 細(xì)胞直接或間接調(diào)控炎癥反應(yīng)有關(guān)。

3.1.4 Th17/Tregs 的平衡

CD4+T 細(xì)胞亞群是IBD 發(fā)生與發(fā)展的病理學(xué)基礎(chǔ),它在固有層中含量豐富,在與胃腸道中的食物和微生物抗原接觸后被激活。 其中,Th17 細(xì)胞和Tregs 細(xì)胞之間的平衡尤為重要。 有研究表明,MSC改善IBD 患者病情的重要機(jī)制之一就是抑制Th17細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)并增強(qiáng)體內(nèi)Tregs 細(xì)胞的功能[27]。 Th17 細(xì)胞通過表達(dá)維甲酸相關(guān)孤兒受體γt(retinoic acid-related orphan receptor γt,RORγt)并分泌IL-17,IL-6 等因子發(fā)揮促炎作用;相反,Tregs 細(xì)胞通過表達(dá)FoxP3 并分泌IL-10,TGF-β 等因子在抗炎過程中發(fā)揮作用[28]。 盡管這是兩種截然不同的表型,但在細(xì)胞因子依賴性分化過程中,Th17 細(xì)胞和Tregs 細(xì)胞可以相互轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。 另外,STAT3與STAT5 的磷酸化水平與Th17 細(xì)胞和Tregs 細(xì)胞之間的平衡也密切相關(guān)。 在應(yīng)用MSC 治療后,STAT3 磷酸化被抑制,同時誘導(dǎo)了STAT5 的磷酸化。 STAT3 磷酸化會使RORγt 表達(dá)增加,從而導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的表達(dá)水平升高;STAT5 磷酸化會抑制Th17 細(xì)胞的分化和細(xì)胞因子IL-17 的產(chǎn)生,同時增加了Tregs 細(xì)胞的分化和FoxP3 的表達(dá)[23]。 所以,通過調(diào)節(jié)STAT3/STAT5 信號通路,可以調(diào)節(jié)IBD 患者的Th17/Tregs 之間的平衡。

3.2 MSC 對DC 的調(diào)節(jié)

DC 在免疫系統(tǒng)中扮演著重要角色,它是先天性免疫和適應(yīng)性免疫之間的橋梁。 DC 的致病作用已在小鼠IBD 模型的研究中得到證實,DC 能夠激活幼稚T 細(xì)胞,從而啟動免疫反應(yīng)。 另外,DC 也可誘導(dǎo)免疫耐受以及下調(diào)免疫應(yīng)答,這取決于其成熟狀態(tài)和所涉及到的特定亞群[29]。 研究表明,MSC 可下調(diào)DC 中CD80,CD86 和IL-12 的表達(dá),從而抑制DC 的成熟和激活。 而對于成熟的DC,MSC 可以抑制其遷移,從而降低炎癥因子的表達(dá)并削弱DC 的抗原呈遞能力[30-31]。 MSC 還能誘導(dǎo)DC 獲得耐受性表型,即耐受性樹突狀細(xì)胞(tolerogenic dendritic cell,tDC),tDC 通過抑制效應(yīng)T 細(xì)胞,誘導(dǎo)和激活Tregs 細(xì)胞,在維持和重建組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[32]。

3.3 MSC 對巨噬細(xì)胞的調(diào)節(jié)

在炎癥環(huán)境下,MSC 可以招募巨噬細(xì)胞到達(dá)炎癥部位,增強(qiáng)組織再生和免疫調(diào)節(jié)功能。 在IBD 的受損腸道組織中,我們可以觀察到兩種類型的巨噬細(xì)胞:M1(促炎癥表型)和M2(抗炎癥表型),這些細(xì)胞在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)中具有重要作用[10]。 M1 型巨噬細(xì)胞通過誘導(dǎo)I 型免疫應(yīng)答,產(chǎn)生大量的炎癥因子,在促炎反應(yīng)中發(fā)揮重要作用;相反,M2 型巨噬細(xì)胞通過清除殘基和促進(jìn)血管生成參與II 型免疫應(yīng)答,它們還可以通過抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)和STAT 信號通路,在免疫調(diào)節(jié)和組織修復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[33]。 研究表明,IBD 發(fā)生時,促炎因子如TNF-α,IFN-γ 的表達(dá)水平增加,從而刺激MSC 分泌免疫調(diào)節(jié)可溶性因子,如前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)和腫瘤壞死因子α 刺激基因-6(tumour necrosis factor α stimulated gene-6,TSG-6)[34-35]。 PGE2 可與巨噬細(xì)胞上的受體結(jié)合,使巨噬細(xì)胞從M1 型轉(zhuǎn)變?yōu)镸2 型;TSG-6 被認(rèn)為是一種有效的中性粒細(xì)胞遷移抑制劑,抑制組織常駐免疫細(xì)胞中炎癥信號的傳導(dǎo),并使巨噬細(xì)胞極化為M2 型,從而抑制炎癥反應(yīng)[36-37]。

3.4 MSC 來源的外泌體(MSC-derived exosome,MSC-Exo)介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)

MSC 可以通過旁分泌的方式發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用,其中最重要的旁分泌物質(zhì)之一就是外泌體。 外泌體是細(xì)胞分泌的具有磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的納米級囊泡,它包含蛋白質(zhì),microRNA,mRNA 等多種物質(zhì)[38]。 有研究表明MSC-Exo 可以使巨噬細(xì)胞極化至M2 型,從而下調(diào)炎癥反應(yīng),維持腸道黏膜屏障的完整性[39]。 另外,MSC-Exo 還可以抑制T 細(xì)胞的增殖和分化,促進(jìn)活化T 細(xì)胞的凋亡,同時它也可以聚集Tregs 細(xì)胞,并最終導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子TNF-α,IFN-γ 等表達(dá)下降,抗炎細(xì)胞因子IL-10,TGF-β 等表達(dá)增加,從而促進(jìn)腸道損傷組織的修復(fù)[15,40]。 此外,MSC-Exo 還可以抑制氧化應(yīng)激反應(yīng),使氧化誘導(dǎo)因子如髓過氧化物酶(myeloperoxidase,MPO),丙二醛(malondialdehyde,MDA)的表達(dá)下降,抗氧化因子如谷胱甘肽(glutathione,GSH),超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的表達(dá)升高,從而緩解IBD 患者的癥狀[39]。

4 總結(jié)

目前,IBD 的發(fā)病率逐年上升,由于其反復(fù)發(fā)作,難以治愈,患者需要長期服用激素等藥物治療,而藥物所致的副作用也給患者的身心帶來了嚴(yán)重的影響。 雖然IBD 病因尚不明確,但越來越多的研究證實免疫失調(diào)是IBD 發(fā)生與發(fā)展的重要因素之一。 現(xiàn)階段,MSC 療法的試驗為IBD 患者帶來了希望。 MSC 可以通過多種方式治療IBD,隨著關(guān)于Th細(xì)胞和Tregs 細(xì)胞相互調(diào)節(jié)的新信息不斷被揭示,免疫干預(yù)的新策略也正在迅速出現(xiàn)。 目前的研究顯示,MSC 治療IBD 主要是通過細(xì)胞直接接觸,誘導(dǎo)可溶性分子,以及分泌外泌體等方式發(fā)揮免疫抑制作用。 MSC 調(diào)節(jié)著Th 細(xì)胞與Tregs 細(xì)胞之間的平衡,這對于維持腸道穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要,而這種方式能否長期起到調(diào)節(jié)作用,還需要進(jìn)一步的實驗去證實。 MSC 療法對免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用不僅為IBD的治療提供了新的策略,也為臨床上其他難以治愈的炎癥性疾病和自身免疫性疾病開辟了新的前景。