间充质干细胞分化治疗肺部疾病相关实验的研究进展

张鹏飞,徐广全

(哈尔滨医科大学附属第二医院 胸外科,黑龙江 哈尔滨　150086)



间充质干细胞分化治疗肺部疾病相关实验的研究进展

张鹏飞,徐广全

(哈尔滨医科大学附属第二医院 胸外科,黑龙江 哈尔滨150086)

[摘要]间充质干细胞具有多向分化潜能,可分化成多个胚层的细胞,能够被Ⅱ型肺泡上皮细胞诱导分化成为上皮细胞,特异性地参与肺组织再生,为肺部疾病治疗提供新途径。作者对诱导间充质干细胞分化成为肺泡上皮细胞、进而参与治疗肺部疾病的体内体外相关实验研究进展作一综述。

[关键词]间充质干细胞; 分化; 肺泡上皮细胞; 肺部疾病; 文献综述

急性肺损伤(ALI)、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、急性呼吸窘迫综合征(ARDS)及特发性肺纤维化(IPF)等能够引起患者呼吸困难、缺氧及一些严重的继发性疾病。近年来,由于吸烟及空气质量下降等因素[1- 2]导致上述疾病的发病率明显增加,给人类健康带来了极大危害。尽管在对肺部疾病患者进行有针对的呼吸支持和药物治疗等方面取得了巨大的进展,但病死率仍高达40%[3- 4]。

近期研究表明,具有多向分化潜能的间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)能够被肺组织中遍布的、在肺损伤修复中起到祖细胞作用的Ⅱ型肺泡上皮细胞诱导分化成为上皮细胞,特异性参与肺组织的再生[5- 7]。表明MSC可用于治疗多种肺部疾病,为肺部疾病的治疗开辟了一条新的途径。而在MSC分化治疗肺部疾病的研究过程中,寻找诱导其分化成为肺细胞的方法、探索其分化的相关机制是近年来的热点。目前,大部分体内实验研究和不同诱导方式的体外实验都证实,MSC可能分化成为肺上皮细胞。作者对诱导MSC分化成为肺泡上皮细胞、进而参与治疗肺部疾病的体内体外相关实验研究进展作一综述。

1MSC诱导分化治疗肺部疾病的体内研究

Zhao 等[8]构建大鼠肺气肿模型后,实验组将MSC注入大鼠尾静脉,与对照组相比发现,两组平均肺泡数目和肺泡面积有明显差异,表明移植MSC后明显改善了肺部炎症和病理状态。并且用Brdu标记的MSC有部分CK阳性,还说明了MSC表达了一部分肺细胞的表型。Mattsson等[9]在接受了雄性大鼠骨髓细胞移植的雌性个体肺内发现了雄性供体的肺Ⅱ型上皮细胞,也在体内证实了MSC分化为肺细胞的可能。但是,Zhang等[5]发现,MSC在 HIF- 1α和SDF- 1的调节下造成肺部纤维化而非分化成肺上皮细胞,可见MSC分化的诱导可能受多种因素调节。

2MSC诱导分化对肺部疾病治疗的体外研究

目前运用比较广泛的体外诱导方法大约有以下几类：共培养模型、使用小气道生长培养基、使用条件培养基等[10]。

Popov等[11]在2007年发现,将MSC和a- 549细胞共培养可能诱导MSC分化。Li 等[12]也发现,羊水MSC经过KOSR和激活素a等刺激后可分化成为Ⅱ型肺上皮细胞。Wu等[13]将MSCs转染了EGF,并加入了钙离子之后,体外实验中可以观察到MSC向上皮细胞转化,并且有多种标志物表达(角蛋白、K19、β1- integrin, E- cadherin、 p- FAK、 Ser- 910)。Perng 等[6]在气液界面培养系统中,通过加入特殊的主气道上皮细胞的培养基,骨髓MSC发生了与主气道上皮细胞相似的形态学变化,证明了这种方法能够诱导MSC分化成为类上皮细胞。Ma等[14]在体外利用MSC和mrc- 5细胞共培养,在加入改良的上皮细胞培养液 15 d 时,MSC形态与肺上皮细胞相似,并且发现5%左右的细胞可以表达肺Ⅱ型肺泡上皮细胞特异性的蛋白SP- C,可以分化成为Ⅱ型肺细胞,表明MSC中肺特异性的亚型可能决定了是否分化。

3MSC诱导分化对肺部疾病治疗的相关机制

越来越多的研究表明,Wnt/β- catenin信号通路在MSC的生长和分化中起到重要作用,包括成骨分化、软骨形成、脂肪形成和肌生成。Wnt/β- catenin信号通路还被证实参与了上皮干细胞的自我更新和分化,还有可能减轻肺损伤[7,15]。BM- MSCs表达一定量的内源性wnt蛋白,并调节MSC的Wnt/β- catenin 信号通路以维持增殖。经典的wnt信号通路能够促进MSC向肺Ⅱ型上皮细胞分化[16],Wnt/β- catenin 信号通路可以通过自分泌或旁分泌起作用。MSC与经热处理的a- 549细胞共培养后发现,MSC表达了多种肺上皮细胞的标志物，而且加入氯化锂后会促进其表达,证明了MSC的分化可能是受到了旁分泌影响。Popov等[11]认为,β- catenin信号通路可能与氯化锂相互协同促进了上皮细胞标志物的表达。用小气道培养基进行哺乳类epithelial- 12细胞与MSC共培养,在加入wnt5a激活了非典型的wnt信号通路之后,MSC的SP- C、SP- B、SP- D(肺Ⅱ型上皮细胞的表面标志物)表达增加,而加入JNK及PKC抑制信号通路之后,wnt5a的促进作用被逆转,证明非经典的wnt信号通路参与了促进MSC的分化。另外,MSC分化率也取决于他们在炎性组织中的聚集和生存能力。Liu等[16]发现,wnt5a促进了MSC横向和纵向的移动能力,同时减少了H2O2介导的Bcl- 2/Bax比例,从而抑制凋亡。综上所述,Wnt/β- catenin信号通路可能参与了MSC向肺细胞分化。但是,也有文献报道,激活Wnt/β- catenin信号通路会抑制MSC向肺细胞分化[17],此外,Wang等[7]通过抑制Wnt/β- catenin信号通路的小分子XAV939,证明抑制Wnt/β- catenin信号通路可能促进MSC分化成为肺上皮细胞,这个过程可能修复由博来霉素诱导的肺纤维化,结果提示抑制Wnt/β- catenin可以改善肺纤维化。出现这种相反的研究结果很可能与诱导方法及特异性MSC亚群有关。

4其他

近期研究表明,肺固有间充质干细胞(lung resident mesenchymal stem cells,LR- MSCs)可以分化成为Ⅱ型肺上皮细胞[18]。LR- MSCs与正常起源于骨髓的干细胞相比,在细胞因子和基因表达谱上不同,所以是两种不同的细胞。Shi 等[17]通过磁珠分选法分离了scal+和CD45+、CD31+细胞,即肺固有间充质干细胞,与正常MSC相比,LR- MSCs可能在治疗肺组织损伤上更加有效。将LR- MSCs与Ⅱ型肺上皮细胞共培养14 d后,超过75%的细胞形态发生了明显变化,在电镜下可以观察到板层小体。共培养至第3天和第7天时,β- catenin增加,GSK- 3β减少。然而第14天时,上述两个标志性基因表达却相反,而且两种物质的磷酸化水平和蛋白相比结果同样相反。这说明β- catenin及GSK- 3β的表达量并不是一成不变,这一结果可能是Wnt/β- catenin通路与MSC分化研究中得出的矛盾结论的原因之一。

5展望

MSC由于易于获取、低免疫原性等优点成为近年来治疗肺部疾病的研究热点[19]。多种因素会影响MSC向肺组织分化,如受损的肺组织、TGF-β1、KOSR和激活素a、Wnt/β- catenin信号通路、EGF及钙离子等。体内外研究表明,MSC的诱导分化参与了相关的信号通路,并且各个亚群会出现不同的分化特性。基于这一点,在肺部疾病的治疗中应用特异的MSC亚群，联合相应的通路激活或抑制药物进行分化修复治疗,可能会成为肺部疾病治疗的新途径。

[参考文献]

[1] 周建军.慢性阻塞性肺疾病患者临床治疗观察浅析[J].中国实用医药,2010,5(31):106- 107.

[2] GARVEY C.Recent updates in chronic obstructive pulmonary disease[J].Postgrad Med,2016，128(2):231- 238.

[3] RANIERI V M,RUBENFELD G D,THOMPSON B T,et al.Acute respiratory distress syndrome:the Berlin Definition[J]JAMA,2012,307(23):2526- 2533．

[4] SHADDOCK E,RICHARDS G.Pharmacological management of chronic obstructive pulmonary disease[J].SAMJ,2015,105(9):790- 790．

[5] ZHANG W G,HE L,SHI X M,et al.Regulation of transplanted mesenchymal stem cells by the lung progenitor niche in rats with chronic obstructive pulmonary disease[J].Respir Res,2014,15(1):33．

[6] PERNG D,YANG D,HSIAO Y,et al.MiRNA- 146a expression positively regulates tumor necrosis factor-α- induced interleukin- 8 production in mesenchymal stem cells and differentiated lung epithelial- like cells[J].Tissue Eng Part A,2012,18(21- 22):2259- 2267．

[7] WANG C,ZHU H,SUN Z,et al.Inhibition of Wnt/β- catenin signaling promotes epithelial differentiation of mesenchymal stem cells and repairs bleomycin- induced lung injury[J].Am J Physiol Cell Physiol,2014,307(3):C234- C244．

[8] ZHAO Y,XU A,XU Q,et al.Bone marrow mesenchymal stem cell transplantation for treatment of emphysemicrats[J].Int J Clin Exp Med,2014,7(4):968．

[9] MATTSSON J,JANSSON M,WERNERSON A,et al.Lung epithelial cells and type Ⅱ pneumocytes of donor origin after allogeneic hematopoietic stem cell transplantation[J].Transplantation,2004,78(1):154- 157．

[10] 王艳.骨髓间充质干细胞体外诱导分化为肺泡上皮细胞的实验研究[D].广州:南方医科大学，2009.

[11] POPOV B V,SERIKOV V B,PETROV N S,et al.Lung epithelial cells induce endodermal differentiation in mouse mesenchymal bone marrow stem cells by paracrine mechanism[J].Tissue Eng,2007,13(10):2441- 2450．

[12] LI Y,XU W,YAN J,et al.Differentiation of human amniotic fluid- derived mesenchymal stem cells into type Ⅱ alveolar epithelial cellsinvitro[J].Int J Mol Med,2014,33(6):1507-

1513．

[13] WU M,ZHOU T,LIU H.Ca2+and EGF induce the differentiation of human embryo mesenchymal stem cells into epithelial- like cells[J].Cell Biol Int,2015,39(7):852- 857．

[14] MA N,GAI H,MEI J,et al.Bone marrow mesenchymal stem cells can differentiate into type Ⅱ alveolar epithelial cellsinvitro[J].Cell BiolInt,2011,35(12):1261- 1266．

[15] 王少华,许峰,党红星.降钙素基因相关肽对高氧暴露胎鼠原代肺泡Ⅱ型细胞的保护作用及其Wnt信号机制[J].第三军医大学学报,2012,34(9):836- 838．

[16] LIU A,CHEN S,CAI S,et al.Wnt5a through noncanonicalWnt/JNK or Wnt/PKC signaling contributes to the differentiation of mesenchymalstem cells into type Ⅱ alveolar epithelial cellsinvitro[J].PLoS One,2014,9(3):e90229．

[17] SHI C,LV T,XIANG Z,et al.Role of Wnt/β‐catenin signaling in epithelial differentiation of lung resident mesenchymal stem cells[J].J Cell Biochem,2015,116(8):1532- 1539．

[18] GONG X,SUN Z,CUI D,et al.Isolation and characterization of lung resident mesenchymal stem cells capable of differentiating into alveolar epithelial type Ⅱ cells[J].Cell Biol Int,2014,38(4):405- 411．

[19] HORWITZ E M,LE BLANC K,DOMINICI M,et al.Clarification of the nomenclature for MSC:the international society for cellular therapy position statement[J].Cytotherapy,2005,7(5):393- 395．

doi:10.3969/j.issn.1671- 6264.2016.02.032

[中图分类号]R- 331

[文献标识码]A

[文章编号]1671- 6264(2016)02- 0266- 03

[通信作者]徐广全E- mail:13904503643@163.com

[作者简介]张鹏飞(1991-),男,山西应县人,在读硕士研究生。E- mail:zhangahe2@126.com

[基金项目]黑龙江省自然科学基金面上项目(C201204)

[收稿日期]2015- 12- 07[修回日期] 2016- 01- 07

[引文格式] 张鹏飞,徐广全.间充质干细胞分化治疗肺部疾病相关实验的研究进展[J].东南大学学报:医学版,2016,35(2)：266- 268.

·综述·