間充質干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征的相關機制及研究進展

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重癥疾病,是指由各種肺內和肺外致病因素所導致的急性彌漫性肺損傷和進而發展的急性呼吸衰竭［1］,臨床表現為呼吸窘迫和難治性低氧血癥,肺部影像學可見不能用積液、肺不張或結節來完全解釋的雙側浸潤影［2］。急性呼吸窘迫綜合征的臨床癥狀嚴重且治療方法相對較少,因此目前病死率仍然很高,約為35%～46%［3］。而間充質干細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制

急性呼吸窘迫綜合征的本質是多種炎癥細胞(巨噬細胞、中性粒細胞、血管內皮細胞、血小板)及其釋放的炎癥介質(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)、白細胞介素-8(interleukin-8,IL-8)和白三烯(leukotrienes,LTs)等細胞因子間接介導的肺臟炎癥反應［1］。此外肺泡上皮細胞和肺微血管內皮細胞凋亡增加,炎癥細胞凋亡延遲；凝血/纖溶系統失衡,局部凝血亢進；氧自由基過度產生引起氧化應激狀態；肺泡液體清除異常等機制［4］相互影響,最終引起靶細胞損害,表現為肺毛細血管內皮細胞和肺泡上皮細胞損傷,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的液體,進而導致肺水腫和透明膜形成。

2 間充質干細胞

間充質干細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,間充質干細胞表現出廣泛的增殖能力和多能性的生物學特征［5］。許多研究顯示,間充質干細胞能夠分化為其他中胚層起源的細胞類型,包括成骨細胞、脂肪細胞、成纖維細胞、心肌細胞和軟骨細胞［6］。這種分化潛力為間充質干細胞在組織損傷中的應用提供了條件［7］。國際細胞治療學會(ISCT)與組織干細胞委員會定義了人類間充質干細胞的最低標準：①在標準培養條件下間充質干細胞具有塑料粘附性；②間充質干細胞必須表達糖類抗原(CD)105、CD73 和CD90,并且缺乏CD45、CD34、CD14 或CD11b、CD79α 或CD19 和人類白細胞DR 抗原(HLA-DR)表面分子的表達；③間充質干細胞必須具備在體外分化為成骨細胞、脂肪細胞和軟骨成形細胞的能力［8］。

3 間充質干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征的機制

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

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

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

3.3間充質干細胞增強肺損傷的修復 間充質干細胞可以分泌多種生長因子,包括肝細胞生長因子(HGF)、角質形成細胞生長因子(KGF)和血管內皮生長因子(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 還可以恢復肺毛細血管通透性并穩定肺內皮屏障［17］。

3.4MSC-EVs 越來越多的證據表明,基于間充質干細胞的免疫抑制主要歸因于MSC-EVs 的影響。MSCEVs 富含間充質干細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)、細胞因子、趨化因子、免疫調節因子］,可調節免疫細胞的表型、功能和歸巢［18］。

MSC-EVs 可保護肺上皮細胞免受肺浸潤性中性粒細胞和單核細胞釋放的反應性氧化物質和蛋白水解酶的影響［19］。同時,MSC-EVs 被證實是α-1-抗胰蛋白酶(α-1-AT)的天然載體,能夠促進其在體內的穩定性和活性,并且在間充質干細胞中,編碼α-1-AT的基因的表達通過化學刺激［白細胞介素-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,其可保護肺上皮細胞,并在肺部發揮重要的抗炎和免疫調節作用［21,22］。

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

4 間充質干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征

盡管相關治療機制尚未完全明確,目前展開的多項實驗證明了間充質干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征的可行性和安全性。馮芳等［24］的實驗通過大鼠模型證實了脂肪間充質干細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13 例急性百草枯中毒致肺損傷患者加用臍帶間充質干細胞治療與否的療效對比發現,間充質干細胞治療顯著降低了急性肺損傷患者的死亡率,且未出現不良反應。Wilson 等［26］的試驗通過對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干細胞治療,表明了靜脈注射間充質干細胞療法的耐受性和短期安全性。另外,間充質干細胞治療還能促進多器官衰竭的消退或增加無器官衰竭的天數［27］。

COVID-19 感染后,免疫系統被過度激活時會生成大量的炎癥因子,導致嚴重的細胞因子風暴,引起急性肺損傷,重癥可發展為急性呼吸窘迫綜合征,最終導致患者死亡［28］。而Qu 等［29］對34 項實驗包含736 例患者的薈萃分析發現,接受間充質干細胞移植治療后,多數重癥患者的癥狀得到了緩解,表明間充質干細胞移植治療COVID-19 是可行的,且目前未發現不良反應,副作用很小［30］。

然而在臨床應用中,間充質干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征還存在一定問題。外源性干細胞遷移到損傷肺組織的數量少、在肺組織中存活率低、肺組織微環境對于干細胞功能影響大等問題都會限制干細胞治療效果［31］；實驗中實驗組與對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支持間充質干細胞移植療法的可行性與安全性。

5 小結

間充質干細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。盡管目前干細胞移植的機制尚未完全清楚,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驗證實,但無論如何這對于被疫情陰霾籠罩的世界都是值得期待的希望之火。