肺常駐間充質(zhì)干細(xì)胞與特發(fā)性肺纖維化的相關(guān)研究進(jìn)展

林浩輝，趙振富，蔡颯

(深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部，廣東 深圳 518061)

間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)是維持組織內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要組成部分，具有取代壞死細(xì)胞和分泌細(xì)胞因子等功能，因此可促進(jìn)受損組織的修復(fù)與愈合[1]。目前不同組織來源的MSC已成功用于嚴(yán)重肺部疾病的臨床前研究和臨床試驗(yàn)[2]。MSC廣泛存在于人體多種組織器官，且被認(rèn)為起源于血管壁周圍[3]。肺常駐間充質(zhì)干細(xì)胞(lung-resident-MSC，LR-MSC)最早由Sabatini等[4]從人正常支氣管組織中分離出的成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞中獲得，且其與骨髓組織中分離獲得的MSC具有相似的生物學(xué)特性。在特定病理?xiàng)l件下，人體內(nèi)含有的LR-MSC數(shù)量不足以修復(fù)肺部的損傷，但在病理?xiàng)l件誘導(dǎo)下，LR-MSC所致的成纖維分化、微血管重構(gòu)、微環(huán)境改變等可促進(jìn)肺纖維化的發(fā)展[5]。特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種慢性肺纖維化疾病，其發(fā)病機(jī)制目前尚未明確，且無有效的治療方法。有研究表明，LR-MSC可促進(jìn)IPF的發(fā)展，但LR-MSC在治療部分肺部疾病時(shí)顯示出較骨髓MSC更好的效果，尤其在緩解肺部炎癥和損傷方面[6-8]。因此，明確LR-MSC與IPF的關(guān)系可以為闡明IPF的發(fā)病機(jī)制、完善臨床治療提供新的思路和作用靶點(diǎn)。現(xiàn)就LR-MSC與IPF的相關(guān)研究進(jìn)展予以綜述。

1 LR-MSC的基本特征

LR-MSC主要存在于肺泡間質(zhì)血管外膜的血管干細(xì)胞微環(huán)境中，可通過流式細(xì)胞術(shù)檢測“Hoechst 33342”的染色缺失以及造血細(xì)胞表面標(biāo)志物CD45陰性表達(dá)篩選獲得。體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，LR-MSC的抗原標(biāo)記與骨髓MSC類似，包括CD90、CD73、CD105和人類白細(xì)胞抗原-1陽性表達(dá)，CD14、CD34、CD45、c-kit和人類白細(xì)胞抗原-DR陰性表達(dá)，且在體外培養(yǎng)中LR-MSC可分化為脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和骨細(xì)胞，由于LR-MSC在定位和特征上與血管壁MSC高度相似，且LR-MSC表達(dá)“血管壁MSC特異性HOX編碼”，因此被認(rèn)為是一種血管壁MSC[9-10]。血管干細(xì)胞微環(huán)境作為干細(xì)胞和祖細(xì)胞的儲存庫，廣泛分布于全身各處，并可釋放多種調(diào)節(jié)因子，同時(shí)還是血管生成區(qū)的起始部位，在血管的構(gòu)建和修復(fù)中具有決定性作用[11-12]。肺部功能與肺中的微血管數(shù)量密切相關(guān)，由于LR-MSC的特殊定位，其成為協(xié)調(diào)肺泡微血管形成、促進(jìn)組織修復(fù)或再生的重要細(xì)胞，因此會對肺組織的正常生理活動(dòng)和肺部疾病的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生一定影響。

此外，LR-MSC還具有組織特異性，因此較骨髓MSC具有更好的肺部生理調(diào)節(jié)能力。在體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，LR-MSC可分化為Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞，而Wnt/β聯(lián)蛋白(β-catenin)通路可能是調(diào)節(jié)LR-MSC分化為Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞的重要信號通路[13]。Hoffman等[7]在細(xì)胞靜脈移植修復(fù)彈性蛋白酶損傷的肺組織中發(fā)現(xiàn)，LR-MSC與骨髓MSC對受損組織的修復(fù)效果相當(dāng)，但與骨髓MSC相比，LR-MSC在肺組織中的存活時(shí)間更長，同時(shí)細(xì)胞間黏附分子-1、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)受體-α和整合素-α2的表達(dá)也更高。此外，LR-MSC還具有免疫調(diào)節(jié)功能，LR-MSC不表達(dá)主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ以及共刺激分子CD80和CD86，并可通過分泌前列腺素E2抑制T淋巴細(xì)胞的活性[14]。LR-MSC還可在脂多糖刺激下調(diào)節(jié)急性呼吸窘迫綜合征模型大鼠腫瘤壞死因子-α、單核細(xì)胞趨化蛋白-1和白細(xì)胞介素-10等細(xì)胞因子的產(chǎn)生，進(jìn)而抑制組織內(nèi)免疫反應(yīng)，降低炎癥反應(yīng)，減輕肺組織受損程度[15-16]。

2 IPF的發(fā)病機(jī)制

IPF是一種慢性炎癥性間質(zhì)性肺纖維化疾病，其病理改變主要表現(xiàn)為成纖維細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞增多聚積以及大量以膠原蛋白為主的細(xì)胞外基質(zhì)沉積，這些病理改變可導(dǎo)致肺泡結(jié)構(gòu)破壞并形成瘢痕，最終導(dǎo)致正常肺組織結(jié)構(gòu)和功能受損[17]。

IPF的發(fā)病機(jī)制目前仍未明確，可能是多種因素相互作用的結(jié)果，主要包括：①Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞損傷可導(dǎo)致Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞增生并分化Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞，從而填補(bǔ)受損的部分，完成正常的生理修復(fù)；②Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞廣泛損傷且正常的修復(fù)機(jī)制受干擾，可導(dǎo)致肺泡塌陷，使Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞無法進(jìn)行正常的修復(fù)，進(jìn)而啟動(dòng)異常的修復(fù)機(jī)制，導(dǎo)致成纖維細(xì)胞、肌成纖維細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞和上皮細(xì)胞在促纖維化因子及生長因子(包括白細(xì)胞介素-1β、轉(zhuǎn)化生長因子-β、內(nèi)皮素等)的作用下大量增殖分化，并向受損部位遷移，同時(shí)分泌大量的細(xì)胞外基質(zhì)，填補(bǔ)損傷部位[18]；③由于局部組織結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致原有微循環(huán)損傷，進(jìn)而引起局部微血管的重構(gòu)[19]。此外，基質(zhì)金屬蛋白酶和組織金屬蛋白酶抑制物失衡等也可導(dǎo)致或促進(jìn)IPF的發(fā)生[20]。目前，IPF仍缺乏有效的治療手段，主要以藥物控制治療為主[21]。

3 LR-MSC與IPF的關(guān)系

LR-MSC是組織穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)因子，具有抑制炎癥和促進(jìn)修復(fù)的功能。由于LR-MSC具有向成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞分化的潛能，且可調(diào)節(jié)免疫、重構(gòu)微血管、改造局部微環(huán)境，在部分慢性肺部疾病的發(fā)展中起重要作用。作為一種慢性肺纖維化疾病，IPF的發(fā)病過程與LR-MSC的特性密切相關(guān)，闡明兩者之間的關(guān)系對于揭示IPF發(fā)病機(jī)制具有重要意義。此外，由于MSC具有多向分化潛能和抗炎特性，因此作為肺內(nèi)的干細(xì)胞，LR-MSC可成為外源性輸入干細(xì)胞治療IPF的潛在干細(xì)胞之一。

3.1LR-MSC參與IPF的發(fā)生發(fā)展 成纖維細(xì)胞的大量累積和微循環(huán)的改建是肺纖維化病理發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，LR-MSC可在體外分化為肌成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞，在微循環(huán)的改建和組織重構(gòu)中起重要作用，同時(shí)LR-MSC對其所處的周圍環(huán)境的變化高度敏感，上皮細(xì)胞在損傷、炎癥細(xì)胞浸潤中釋放的細(xì)胞因子可驅(qū)動(dòng)LR-MSC向肌成纖維細(xì)胞分化，參與肺纖維化的發(fā)展[22]。Marriott等[23]研究發(fā)現(xiàn)，人肺纖維化樣本中的LR-MSC數(shù)量顯著增加，并證明ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族G成員2(ATP-binding cassette superfamily G member 2，ABCG2)蛋白陽性表達(dá)的MSC群體是肌成纖維細(xì)胞的前體，這些MSC定位于血管周圍，因此也可參與肺纖維化微血管重構(gòu)。而Gaskill等[24]則證實(shí)，肺纖維化模型ABCG2蛋白陽性表達(dá)的MSC可持續(xù)驅(qū)動(dòng)微循環(huán)的功能障礙，促進(jìn)血管的異常重構(gòu)并逐漸加重肺纖維化。其中，Wnt信號通路、PDGF信號通路和核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信號通路以及相關(guān)的微RNA(microRNA，miRNA)等均參與了LR-MSC向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程。

3.1.1Wnt信號通路 Wnt及其下游信號通路在MSC的自我更新和分化中起重要作用，而β-catenin是Wnt信號通路的重要調(diào)節(jié)蛋白，其持續(xù)表達(dá)可導(dǎo)致細(xì)胞大量分裂、增殖[13]。轉(zhuǎn)化生長因子-β是激活Wnt/β-catenin信號通路的重要細(xì)胞因子之一，Wnt信號通路異常激活(尤其是Wnt7b和Wnt10a高表達(dá))可誘導(dǎo)IPF組織中的LR-MSC分化為成纖維細(xì)胞，在轉(zhuǎn)化生長因子-β作用下，LR-MSC的膠質(zhì)瘤相關(guān)癌基因同源物1(glioma-associated oncogene homolog 1，Gli-1)基因高表達(dá)，而抑制Gli-1基因的表達(dá)可下調(diào)Wnt7b和Wnt10a的表達(dá)，從而抑制LR-MSC向肌成纖維細(xì)胞分化[25]。此外，M2型巨噬細(xì)胞在IPF組織樣本中的浸潤也可誘導(dǎo)LR-MSC分化為成纖維細(xì)胞，而抑制Wnt/β-catenin信號通路的表達(dá)可下調(diào)轉(zhuǎn)化生長因子-β的表達(dá)和M2型巨噬細(xì)胞的浸潤，從而抑制LR-MSC分化為成纖維細(xì)胞，降低肺纖維化程度[26-27]。Cao等[28]研究表明，音猬因子-Wnt信號通路與LR-MSC向成纖維細(xì)胞的分化密切相關(guān)，當(dāng)LR-MSC向肌成纖維細(xì)胞分化時(shí)，Wnt10a高表達(dá)和分泌，同時(shí)音猬因子信號通路活性增強(qiáng)，而抑制音猬因子-Wnt信號通路則可阻止博來霉素誘導(dǎo)的模型小鼠LR-MSC分化為肌成纖維細(xì)胞，并可改善肺纖維化，但該研究并不認(rèn)為上皮細(xì)胞會發(fā)生上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化并向成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)變形成纖維病灶。綜上，Wnt信號通路在LR-MSC增殖、分化和遷移中均發(fā)揮重要作用，抑制Wnt信號通路可產(chǎn)生抗纖維化效果。因此，進(jìn)一步明確Wnt上下游信號通路中基因和蛋白的變化，可以為IPF的治療提供新思路。

3.1.2PDGF信號通路與NF-κB信號通路 PDGF是一類可顯著促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)其向損傷部位聚集的細(xì)胞因子。在IPF患者的肺泡組織中，PDGF的兩種亞型——PDGF-A和PDGF-B水平均升高，且PDGF-B水平顯著高于PDGF-A[29]。同時(shí)，在轉(zhuǎn)化生長因子等細(xì)胞因子作用下，LR-MSC可通過高表達(dá)PDGF受體響應(yīng)PDGF的升高、促進(jìn)自身的生長和分化，并通過調(diào)節(jié)整聯(lián)蛋白與纖連蛋白的結(jié)合在組織受損部位重新分布，而PDGF-B可促進(jìn)MSC分化為周細(xì)胞，參與局部血管重構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)肺纖維化[30-31]。

腫瘤壞死因子-α是一種強(qiáng)大的促纖維化因子，可通過激活NF-κB信號通路促進(jìn)LR-MSC分化為肌成纖維細(xì)胞，同時(shí)也可通過上調(diào)β-catenin的表達(dá)促進(jìn)LR-MSC向成纖維細(xì)胞分化，抑制NK-κB信號通路則可抑制博來霉素誘導(dǎo)的IPF模型LR-MSC向成纖維細(xì)胞分化，并伴隨β-catenin表達(dá)降低，從而達(dá)到抑制肺纖維化的目的[32]。

3.1.3相關(guān)miRNA 在LR-MSC向成纖維細(xì)胞分化過程中，部分miRNA的表達(dá)也出現(xiàn)變化，包括miR-152-3p、miR-140-3p、miR-34a-5p等，這些miRNA可下調(diào)Krüppel樣因子4和生長抑制蛋白家族成員5基因的表達(dá)，而Krüppel樣因子4和生長抑制蛋白家族成員5可通過調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin信號通路達(dá)到調(diào)控LR-MSC增殖、分化和遷移的目的[33]。在LR-MSC向肌成纖維細(xì)胞分化過程中miR-497-5p表達(dá)顯著上調(diào)，而其靶基因kazal模體可抑制基質(zhì)金屬蛋白酶-2和基質(zhì)金屬蛋白酶-9的表達(dá)，從而激活轉(zhuǎn)化生長因子-β[34]。此外，部分miRNA也可抑制LR-MSC的分化，如miR-877-3p可通過Smad7信號通路調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化生長因子-β的表達(dá)，而Smad7信號通路是一種抑制性信號通路[35]。核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3也可誘導(dǎo)LR-MSC分化為成纖維細(xì)胞，抑制核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3炎癥小體可促進(jìn)Wnt通路拮抗因子Dkk-1(Dickkopf-1)的表達(dá)，而敲除LR-MSC中的Dkk-1受體可導(dǎo)致肺組織膠原沉積、肺纖維化程度增加[36-37]。

3.2利用LR-MSC治療IPF的相關(guān)研究 由于IPF具有慢性、進(jìn)行性、不可逆性等特征，目前尚無有效治療手段。干細(xì)胞療法作為一種新興治療方法，通過直接分化替代受損組織或分泌外泌體等方式達(dá)到治療IPF的目的[38]。目前臨床多以骨髓MSC或脂肪MSC作為治療細(xì)胞，用于疾病(包括肺部疾病)的治療。MSC因具有良好的可塑性、抗炎、低免疫反應(yīng)性、旁分泌等特征而成為治療IPF的良好選擇。臨床試驗(yàn)表明，接受不同來源MSC治療的IPF患者均出現(xiàn)不同程度的臨床癥狀減輕、肺內(nèi)炎癥反應(yīng)降低、肺功能恢復(fù)和血流動(dòng)力學(xué)改善等，同時(shí)不良反應(yīng)少且輕微[39]。而LR-MSC作為一種存在于肺內(nèi)的干細(xì)胞，是肺部組織中的一個(gè)獨(dú)特群體，與骨髓MSC在表型和基因表達(dá)方面均存在顯著差異[40]，在治療肺部疾病中較骨髓MSC具有更好的歸巢特性和療效，因此，LR-MSC可能成為治療IPF的更好選擇，但目前的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，同時(shí)LR-MSC與其他MSC之間的具體生物學(xué)差異、生物安全性、合理的獲取途徑、輸送途徑、輸送劑量等問題也均有待解決。

由于LR-MSC可促進(jìn)IPF的發(fā)展，抑制LR-MSC向成纖維細(xì)胞分化也是治療IPF的途徑之一。臨床除了利用藥物阻斷LR-MSC向成纖維細(xì)胞分化的相關(guān)通路外，還可以LR-MSC為靶點(diǎn)，利用被前列腺素修飾的聚乙烯亞胺膠束向LR-MSC輸送可抑制其向成纖維細(xì)胞分化的干擾小RNA達(dá)到治療肺纖維化的目的[41]。

4 小 結(jié)

LR-MSC是維持肺組織正常生理功能的重要細(xì)胞，在特定的病理?xiàng)l件下，LR-MSC可向成纖維細(xì)胞分化，其分化的產(chǎn)生與Wnt、PDGF、NF-κB等信號通路和多種miRNA相關(guān)，并最終引發(fā)IPF，因此靶向LR-MSC與纖維化相關(guān)的信號通路、基因等治療可能成為治療IPF的新途徑。同時(shí)，外源性輸入MSC治療IPF的臨床試驗(yàn)也正在開展，而LR-MSC作為存在于肺組織的正常細(xì)胞，修復(fù)肺部損傷的能力更強(qiáng)，因此將成為干細(xì)胞治療IPF的重要候選。但目前關(guān)于LR-MSC與IPF的相關(guān)研究較少，未來仍需進(jìn)一步探討LR-MSC發(fā)生成纖維分化的具體機(jī)制并開展相關(guān)的干細(xì)胞治療實(shí)驗(yàn)，從而為IPF的治療提供新思路。