干细胞与肺的损伤和修复的最新研究

李雪 吴晓梅

干细胞与肺的损伤和修复的最新研究

李雪 吴晓梅

肺脏组织结构极其复杂，包括多种分化成熟的上皮细胞、两套血液系统、两种分化成熟的平滑肌组织及独立的免疫系统。由于肺脏结构的复杂性，所以我们对肺脏的损伤及其修复机制的了解是有限的，世系追踪法和细胞标记技术的发展，让我们更多的认识了不同的肺干细胞。关于肺干细胞的研究主要侧重于上皮细胞的研究，目前还没有证据证明在肺脏损伤及其修复过程中，一个单一的肺干细胞能够像血液系统中祖细胞那样分化成不同的细胞系。研究证实不同部位的肺上皮细胞是由相应解剖部位的肺干细胞分化而来，虽然肺间质祖细胞在小鼠胚胎组织研究中也具有解剖局限性[1]，但在成熟的肺脏组织中是否具有同样局限性，目前研究还未证实。研究发现，从肺脏近端气管远端到肺泡，至少有40种不同表型的细胞，由此可见肺组织结构的复杂性。越来越多的研究热衷于肺干细胞，是基于探究肺干细胞在肺脏受损修复过程中的作用。

肺干细胞

一、气管和近端支气管干细胞

小鼠的气管和主支气管表面是由假复层纤毛柱状上皮覆盖，假复层纤毛柱状上皮包括基底细胞和三种不同类型的腔细胞(纤毛细胞、棒状细胞、刷细胞及神经内分泌细胞)。基底细胞高表达转录因子Trp63和细胞角蛋白5,14(Krt5/14)及水通道蛋白3。在一些活体的世系追踪试验中发现基底细胞是由许多不同的干细胞组成，是肺部许多其他细胞的前体细胞[2],并且在稳态时分化成不同的腔细胞，而在肺脏修复过程中分化成不同的上皮细胞[3]。研究表明在气管受到损伤时棒状细胞可以分化成纤毛细胞[4]，可以说棒状细胞在细胞系中是位于基底细胞和纤毛细胞之间的一种中间态细胞。在实验研究中，人为去除Krt5的基底细胞，则发现一种已分化的棒状细胞会发生去分化，补充被去除Krt5+的基底细胞，并且拥有与原基底细胞相同的增殖分化能力[5]。这证明了气道上皮细胞的可塑性，同时也说明了在气道损伤修复过程中，不同细胞表型的气道上皮干细胞之间可以相互转化。

二、远端气道干细胞

研究发现小鼠的远端气道表皮是由单层纤毛细胞和一些分泌性细胞构成，在人体气道的远端也存在Trp63+/ Krt5+的基底细胞。纤毛细胞遍布整个气道，并且表达转录因子FOXJ1和细胞骨架蛋白TUBB4。远端气道也存在神经内分泌细胞(NECs)，其表达转录因子ASCL1和PROX1[6]，与近端气管支气管的神经内分泌细胞相比，远端气道的NECs紊乱的排列在上皮细胞中。分泌细胞也被称作棒状细胞，能够特异性的表达SCGB1A1。最近研究数据表明，在肺脏的稳态系统中，棒状细胞通过NOTCH2受体与纤毛细胞的JAG1和JAG2相互作用，在实验小鼠的大气道及小气道中，若这一信号轴被破坏，将会导致大量的纤毛细胞取代棒状细胞，同时在患有哮喘的小鼠模型中，这一信号轴的破坏会逆转杯状细胞的化生[7]。许多关于气道远端上皮修复的研究数据来源于特异性萘标记的棒状细胞，将棒状细胞暴露于萘毒素中，将会导致大量杯状细胞损伤和脱落等一系列损伤反应。然而，还存在一种棒状细胞亚型，特征性的缺失细胞色素P450家族成员中的CYP2F2，其可以抵抗萘毒素的损伤。这种细胞亚型分布于神经内分泌小体和肺泡导管连接处，并特异性的转化成棒状细胞，这位于神经内分泌小体附近的棒状细胞转化体能够特异性的表达UPK3A[8]。通过世系追踪法研究发现， SCGB1A1+/CYP2F2棒状细胞经萘毒素损伤后可以通过自我修复和分化成纤毛细胞和CYP2F2棒状细胞,进而来修复损伤的上皮细胞，这表明在小气道损伤中，转化体棒状细胞作为上皮细胞的祖细胞参与修复。同时，实验研究证实，在小气道上皮的损伤中，神经内分泌细胞的缺失并不总影响转化体棒状细胞参与上皮细胞的损伤修复[9]。在实验中，在小鼠出生后，人为去除棒状细胞的组蛋白脱乙酰基酶1和组蛋白脱乙酰基酶2，将会导致棒状细胞的增殖减少和上皮细胞的持续性损失，这表明在小气道上皮的再生和经萘毒素损伤后的修复过程中，组蛋白脱乙酰基酶1和组蛋白脱乙酰基酶2发挥着至关重要的作用[10]。在上气道表型细胞的可塑性研究中，通过世系追踪法研究表明，在远端气道上皮细胞的损伤中，神经内分泌细胞(NCEs)也可以分化成棒状细胞，但是他莫昔芬药物会影响此实验结果[9]。

三、肺泡导管连接处干细胞

终末细支气管和肺泡的过渡区域被成为肺泡导管链接处，此处存在一种细胞被称作支气管肺泡干细胞(BASCs)，其共同表达Ⅱ型肺泡上皮细胞(AEC2s)标记物SCGB1A1和SFTPC，并能够特异性表达Clara细胞特异性蛋白(CCSP)和肺表面活性物质相关蛋白(SP-C)，BASCs在上皮损伤修复期间增殖，在体外培养可形成细胞克隆，具有自我复制和定向分化的能力。在基于大量的活体小鼠气道上皮细胞更新的研究中，BASCs可以抵抗细支气管和肺泡的损伤，并可以增殖分化为上皮细胞，这表明对于小气道和肺泡上皮而言，BASCs是具有干细胞增殖分化能力的[11]。

四、肺泡上皮细胞

肺泡上皮细胞主要分为I型(AEC1)和Ⅱ型(AEC2)肺泡上皮细胞。AEC1约占肺泡表面的95%，主要参与气体的交换，细胞表面特异性表达水通道蛋白5。最近一项研究表明，一小部分特异性表达HOPX的I型肺泡上皮细胞在局部肺切除后，能够分化增殖为Ⅱ型肺泡上皮细胞[12]。Ⅱ型肺泡上皮细胞(AEC2)镶嵌于I型肺泡上皮细胞中，并可以分泌肺泡表面活性物质，细胞表面特异性表达SFTPC和LYZ2。Barkauskas 等人研究发现，在肺的稳态环境中，成熟小鼠肺脏的AEC2作为一种祖细胞，可以分化成I型和Ⅱ型肺泡上皮细胞[13]。在高氧、博来霉素损伤及人为去除AEC2后，细胞的增殖加速，并且一小部分AEC2可以分化成AEC1[12、14]。在损伤后，多种信号分子参与AEC2的增殖与调控，如：表皮生长因子和癌基因Kras。最新研究发现，在远端气道存在另一种肺干细胞，例如，一种整合素蛋白a6b4+SFTPC-的肺泡干细胞被发现，并且被认为在肺泡上皮的损伤修复中发挥重要作用[15]。在小鼠流感病毒感染后，远端气道干细胞立即增殖参与损伤修复，这些远端气道干细胞可以表达基底细胞标记Trp63和Krt5，并且在损伤后可以分化成不同的肺泡细胞和细支气管上皮细胞[16]。

五、成纤维细胞和肌成纤维细胞

目前尚无明确的定义来界定成纤维细胞和肌成纤维细胞，两种细胞的外形相似，并且均来自于间叶细胞。气道损伤后，肌成纤维细胞是组织连接蛋白的主要来源，并且在肺纤维化中的致病作用越来越受到人们的重视。有研究证明肺肌成纤维细胞是来源于血管周围间叶组织干细胞，生长因子-β、Wnt/β-catenin信号通路，血管内皮生长因子、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)等在肺纤维化这一病理过程中起重要的推动作用[17]。远端肺脏纤维化源于局部遭受一系列的反复性损伤所致，这些持续性损伤会导致毛细血管周围成纤维细胞的Wnt/β-catenin信号通路、Notch通路被激活，进而发生成纤维细胞与肌成纤维细胞间的相互转化，促使肺纤维化这一病理过程的进展[18]。

六、间充质干细胞

Friedenstein首次发现在骨髓里存在一种不纯一的细胞群体，这种细胞在体外培养时贴壁生长，形态和成纤维细胞相似，呈克隆性增殖，并提出“髓间充质干细胞”(mesenchymal stem cells MSC)的概念[18]。骨髓间充质干细胞(MSC)是骨髓来源的造血干细胞以外的另一种成体干细胞，具有自我更新能力和多向分化潜能，因此，MSC被认为是一种理想的外源性修复种子细胞。间充质干细胞可以从多种器官的间质组织中分离出来，比如：骨髓组织、肌肉组织、骨膜、 脂肪组织、皮肤及肺脏等。

干细胞治疗肺部疾病的临床进展

2014年Matthay等开展了针对人体间充质干细胞(MSCs)治疗ARDS安全性的Ⅰ期临床试验，将为MSCs应用于临床治疗ARDS提供可靠依据[19]。在动物模型中，MSCs通过免疫调节、旁分泌机制在急性肺损伤、支气管哮喘、先天性支气管肺发育不良、慢性阻塞性肺疾病、呼吸机相关性肺损伤及其他肺部疾病中发挥治疗作用[20]。2013年Weiss等人开展的一项Ⅱ期临床试验证明，注射MSCs后，可以明显降低慢阻肺患者血清中的C反应蛋白(CRP)等炎性介质水平，证明MSCs具有抑制慢阻肺患者体内过度炎症反应的作用，一项最近研究已经证实了MSCs用于治疗慢阻肺的安全性[21]。

干细胞在肺再生医学中的应用进展

由Jackson实验室的Frank Mckeon博士和Wa Xian博士领导的一个研究小组研究发现：肺干细胞在疾病损伤后肺脏的再生过程中发挥重要作用。这项发表在《Nature》杂志上的研究阐明了肺脏再生新兴概念的内部运作机制。Mckeon说：“生物医学研究界一直迟迟未接受肺脏可以再生这一观点，其部分原因在于人们看到罹患慢阻肺和肺纤维化等严重疾病的患者中肺功能在进行性的衰退[16]。” 肺移植是治愈支气管哮喘、BDP、慢阻肺和IPF等疾病的唯一治疗方法，然而移植供体的严重短缺和移植后免疫排斥反应，大大限制了肺移植的临床应用。2013年Huan运用IPS技术将人体皮肤细胞诱导成多功能干细胞 再诱导其分化出6种肺和气道上皮细胞，包括基底上皮细胞 、杯状上皮细胞 、Clara上皮细胞 纤毛上皮细胞及I型和Ⅱ型肺泡上皮细胞 其中90%的分化细胞产生了6种细胞的表面标记分子， 诱导分化效率极高。此外，分化得到的Ⅱ型肺泡上皮细胞具有摄取表面活性蛋白-β的能力,且在刺激下能分泌表面活性物质,直接提供了分化细胞具有特定功能的证据[22]。此成果将在工程肺构建临床肺部疾病模型的建立、药物筛选和肺发育研究领域中得到广泛应用。

结 论

肺干细胞研究尚处于初级阶段，很多问题尚未明确。由于肺部结构和功能的复杂性及肺脏上皮细胞较低的更新率，目前还未找到鉴定肺干细胞组织的特异性因子，这使肺干细胞的研究面临较大的困难。对于进一步明确肺部有关疾病的发病机制以及移植过程中可能会出现的免疫排斥等问题仍有待于进一步探索研究。面对肺干细胞研究所存在的困难，需要通过创新研究思路和技术方法来更深入的揭示肺干细胞在肺脏发育生长、损伤、疾病中的机理，为肺部疾病的治疗奠定更好的基础。

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10.3969/j.issn.1009-6663.2017.04.042

150086 黑龙江 哈尔滨，哈尔滨医科大学附属第二医院呼吸科

吴晓梅 ，E-mail：wuxiaomeihx@163.com

2016-11-03]