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骨髓间充质干细胞移植对急性肺损伤大鼠的治疗作用

2014-03-03廖画刘华

中国当代医药 2014年3期
关键词:移植

廖画 刘华

[摘要] 急性肺损伤(ALI)是急性呼吸窘迫综合征的前期表现,严重时可发展为多器官功能障碍综合征,具有较高的发病率及病死率。目前对于ALI的治疗主要以机械通气和对症治疗为主,但病死率仍居高不下。随着干细胞研究的深入,骨髓间充质干细胞(BMSCs)对ALI的治疗作用被逐渐认可。在大量研究的基础上,本研究归纳了BMSCs通过增殖分化、抑制炎症反应、免疫调节等方面治疗ALI的机制与特点。

[关键词] 骨髓间充质干细胞;急性肺损伤;移植

[中图分类号] R563 [文献标识码] B [文章编号] 1674-4721(2014)01(c)-0188-04

急性肺损伤(acute lung injury,ALI)是由非心源性的各种肺内、外因素引起的,呈急性、进行性呼吸衰竭临床表现的疾病。ALI可由多种不同的病因引起,发病率与病死率也因病因的差异而有所不同,在疾病的后期能迅速进展为急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)[1]。随着近年对于干细胞研究的逐渐增加,骨髓间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells,BMSCs)移植后能增殖分化修复肺组织结构、调节肺内凋亡机制,抑制炎症及免疫调节的能力[2],越来越受到呼吸疾病研究工作者的重视,有望成为治疗ALI的新方法。

1 ALI

1.1 ALI的发病机制

ALI/ARDS多由相关的临床疾病引起,可以分为肺内因素和肺外因素。肺内因素包括肺炎、误吸、挫伤、栓塞、吸入性损伤和缺血-再灌注。肺外因素包括肺外脓毒症、创伤、烧伤、大量输血、冠状动脉旁路移植术、中毒与急性胰腺炎等[3]。病理特征主要有肺泡上皮细胞和肺毛细血管内皮细胞损伤,进而两者通透性增加,造成弥漫性肺间质水肿,肺泡充满富含蛋白质的渗出液,约72 h后形成透明膜,导致肺容积减少、肺顺应性降低、严重的通气/血流比例失调。临床上表现为进行性血氧降低和呼吸窘迫,肺部影像学上出现斑片状以至大片状的浸润阴影[4]。

1.2 ALI的诊断

1994年欧美联席会议提出了ALI/ARDS的诊断标准[1],中华医学会呼吸病学分会也于2000年提出了我国ALI/ARDS的诊断标准。①有ALI/ARDS的高危因素;②急性起病、呼吸频数和(或)呼吸窘迫;③低氧血症:ALI时动脉血氧分压(PaO2)/吸入氧分数(FiO2)值≤300,ARDS时PaO2/FiO2≤200;④胸部X线检查显示两肺浸润阴影;⑤肺动脉楔压(PAWP)≤18 mm Hg或临床上能除外心源性肺水肿。同时符合以上5项条件,可以诊断为ALI或ARDS[5]。

1.3 ALI的流行病学现状

据美国华盛顿医疗中心统计,在美国的重症监护病房(ICU),每年约有190 000例患者诊断为ALI,而在急诊科接受机械通气的非创伤患者中,符合ALI诊断标准的比例为8.7%[6]。在普通呼吸病房中,出现急性肺部浸润的患者达66%,其中9%的患者符合ALI的诊断标准,2%的患者诊断为ARDS[7]。有研究显示,1994~2006年,ALI/ARDS的病死率约为43%,与以往相比虽有明显下降,但仍需要极高度的关注[8]。

1.4 ALI的治疗现状

ALI的临床治疗分为药物治疗和机械辅助治疗。药物治疗:皮质类固醇激素、体液管理、神经肌肉阻断剂[9]。机械辅助治疗:低潮气量通气、呼气末正压通气、高频通气与常规通气[10-11]。其他辅助治疗:预防应激性溃疡和静脉血栓,营养支持和治疗相关的伤害等[12]。上述治疗在挽救和维持患者生命中起着重要的作用,但却未能大幅度降低病死率,对于ALI的肺泡浸润、肺泡上皮和毛细血管损坏、肺部及全身的炎症不能很好地统一兼顾,致使病死率居高不下,急需寻求ALI/ARDS更完善的治疗方法。随着对ALI发病机制的研究和上述治疗并发症方法的增加,ALI的治疗重点逐渐转向非机械通气手段。

2 BMSCs

有研究显示,BMSCs移植后,能归巢到肺组织损伤部位,并通过释放可溶性因子,减轻肺毛细血管内皮的通透性及肺泡水肿、缓解肺部炎症、促进细胞增殖、抑制细胞凋亡、帮助肺部血管重建等,起到治疗ALI/ARDS的效果[13-14]。下面将从三方面介绍BMSCs移植治疗ALI大鼠的研究现状。

2.1 BMSCs归巢与增殖分化

ALI病理改变发展过程中,逐渐出现肺泡上皮受损坏死,成纤维细胞增生和胶原沉积。在BMSCs治疗ALI的研究中,将β-半乳糖苷酶标记的BMSCs经尾静脉输入博来霉素引起的大鼠肺损伤模型中,BMSCs可迁移到肺组织,并分化为具有Ⅰ型肺泡上皮的形态特征及特异性表面标记:T1α和水通道蛋白-5的细胞[15]。Ma等[16]在体外建立了模拟肺部微环境的培养基,植入BMSCs,发现BMSCs能成功分化为具有表面蛋白C(surfactant protein C,SP-C)的人Ⅱ型肺泡上皮细胞特异性表面标志蛋白。将荧光原位杂交技术标志的雄性大鼠的BMSCs在第一时间移植到博来霉素引起的雌性肺损伤大鼠模型中,发现雄性大鼠的BMSCs能快速增殖为移植数目的3倍,同时显现出Ⅱ型肺泡细胞样形态并显著减轻肺部炎症和胶原沉积[17]。有研究证明,移植的BMSCs能归巢到损伤肺组织并增殖分化修复肺部结构,减少肺部结构改变。

2.2 BMSCs对细胞因子的调节作用

BMSCs可产生肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor,HGF)[18],HGF对BMSCs有多重生物学效应。弹性蛋白酶引起的肺损伤大鼠,经鼻腔吸入HGF后,可显著改善肺泡腔的扩大和肺泡壁的破坏。经2周的HGF治疗后,明显提高静态肺顺应性、肺部增殖细胞核抗原(PCNA)和细胞角蛋白-19的水平,提示BMSCs分泌HGF有促肺泡新生和动员干细胞修复损伤的能力[19],减缓ALI的小气道闭陷和肺泡萎陷不张。

BMSCs移植的受体大鼠肺泡灌洗液中,可发现角质细胞生长因子(keratinocyte growth factor,KGF)明显升高。KGF又称FGF-10,是人体皮下组织细胞分泌的一种碱性蛋白生长因子,特异性地结合到上皮细胞表面的特异受体,经过复杂的信号传递过程,启动上皮细胞内参与分裂生长的基因表达,从而刺激上皮组织的新陈代谢。Huh等[20]研究显示,KGF通过磷酸化蛋白激酶B(Akt/PKB),启动多种途径抑制Ⅱ型肺泡上皮凋亡。在机械通气造成的ALI中,KGF介导BMSCs恢复系统氧合能力和肺顺应性,降低全肺水肿程度,减少肺部炎症、肺组织损伤和恢复肺的结构,同时降低致炎因子TNF-α,提高抗炎因子IL-10[21]。Wang等[22]证明KGF可以提高ALI肺泡对液体的运输能力,减轻肺部湿/干比。

在木瓜蛋白酶引起的肺气肿模型中,出现了TNF-α的升高,继而导致移植的BMSCs分泌血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)。VEGF表达于血管内皮表面,能作用于血管内皮细胞促进血管内皮细胞增殖,增加血管的通透性。Zhen等[23]阻断VEGF信号传导通路后,发现肺部细胞凋亡增加,肺气肿加重,提示VEGF对木瓜蛋白酶损害下的肺部细胞起保护作用。

BMSCs还可以分泌肾上腺髓质素[24],肾上腺髓质素能增加外周血循环中的单核细胞和干细胞抗原-1(Sca-1)阳性细胞,吸引循环中的内源性骨髓干细胞到损伤的肺组织参与修复,并对肺泡上皮和内皮细胞起直接保护作用[25]。

白细胞介素1受体拮抗剂(interleukin 1 receptor antagonist,IL1RN)是由BMSCs其中一组细胞亚群特异分泌的物质,能在体外阻断依赖T细胞活化分泌的IL-1和抑制活化的巨噬细胞分泌TNF-α,通过抑制IL-1和TNF-α这两大炎性因子来保护ALI时的肺组织[26]。

IL-10是BMSCs治疗ALI中一个重要的细胞因子,主要由Th2细胞和单核巨噬细胞产生;具有抑制前炎症细胞因子产生,抑制MHC-Ⅱ类分子和B-7分子的表达,抑制T细胞合成IL-2、IFN-γ等细胞因子,促进B细胞分化增殖等作用。BMSCs能通过直接调节Th2细胞分泌IL-10,或者通过KGF等因子间接调控,起到抗炎效果[20,27]。经气管输入BMSCs对抗内毒素造成的ALI试验中,BMSCs能显著上调IL-10,同时下调TNF-α和巨噬细胞炎性蛋白(monocyte inflammatory protein-2,MIP-2),提高ALI小鼠的生存率[27]。

由此可见,BMSCs可通过释放可溶性因子抑制细胞凋亡,促进细胞增殖,调节细胞因子缓解肺部炎症,保护肺组织。

2.3 BMSCs对免疫细胞的调节作用

BMSCs可改变树突状细胞(dendritic cell,DC)分泌的细胞因子,使成熟的DC1减少TNF-α的分泌,DC2可增加抗炎因子IL-10分泌;BMSCs同时作用于T细胞,减少Th1释放INF-γ,Th2增加IL-4的分泌,并且增加Treg细胞的生成,使组织内IL-10增加[28]。BMSCs通过分泌可溶性因子,使IgM、IgG、IgA表达受损,B细胞在抗原依赖期不能与抗原高亲和力结合,其表面的CD40不能很好地表达,B细胞与Th细胞特异性结合,用于活化的B细胞减少,致使B细胞不能继续分化和发育为浆细胞。B细胞表面趋化因子受体CXCR4、CXCR5、CXCR7表达受损,对CXCL12、CXCR4配体、CXCL13、CXCR5配体的趋化性显著下调。BMSCs通过抑制B细胞活化及趋化,能有效减少ALI发生时体内出现的过度和自我破坏的炎性反应[29]。

3 BMSCs治疗ALI的预临床、临床实验

3.1 BMSCs在体外人体组织中的作用

大量的动物实验提示了BMSCs治疗ALI可以从抗水肿、抗凋亡、抗炎症、免疫调节出发,表现出了很高的可行性,而这些治疗机制在人体是否具有同样的作用也受到了重视。用38具不能利用于肺移植的人体肺组织,建立体外血液循环及呼吸循环,再具体分组为控制组、LPS肺损伤组、LPS+MSC治疗组、LPS+MSC条件培养液治疗组,对其肺泡液体清除(AFC)及肺泡液中KGF含量进行比较,结果显示,异体BMSCs移植或BMSCs条件培养液移植可以明显减轻肺水肿,改善肺内皮细胞屏障的完整性,使肺泡上皮细胞对液体的运转能力恢复正常,并认为这是通过KGF介导肺泡液钠转运引起的[30]。

3.2 BMSCs移植在活体人体内的治疗尝试

2010年南京一位19岁女性系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus,SLE)患者因出现痰中带血,迅速进展为进行性呼吸困难和低氧血症,被诊断为SLE相关的弥漫性肺泡出血(diffuse alveolar hemorrhage,DAH),经类固醇激素和免疫球蛋白的冲击疗法后仍无明显好转。Liang等[31]为患者进行了脐带血来源的间充质干细胞(MSCs)异体移植,移植后患者的临床表现得到迅速改善,影像学及血液学在1周后恢复正常。SLE相关的DAH通常认为与免疫复合物沉积在肺泡毛细血管基底膜,引起基底膜损伤和血管炎相关。该病例的成功治疗,提示了MSCs对肺组织的保护作用,但其机制尚未明确。

在ALI/ARDS的治疗中,不仅要在疾病的早期对抗其肺水肿、内皮细胞和肺泡细胞的破坏引起的顽固性低氧血症和呼吸窘迫,还需在后期治疗中调节全身的免疫机制,缩短炎症持续期,维护肺组织结构,改善预后。BMSCs在此显示出的对疾病的多功能调节,使其受到了极大的关注。然而BMSCs的提取、培养、动物模型的制造,BMSCs与各种细胞因子、炎症因子、肺组织内源性干细胞、免疫细胞的相互作用还需要进一步的探索,其对于ALI/ARDS的临床治疗也需要更多的基础研究支持。

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(收稿日期:2013-09-29 本文编辑:林利利)

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