脐带间充质干细胞治疗核辐射伤的技术研究

高 萌，王前虹，郭德镔，潘兴华

作者单位：510500广州，南方医科大学第三附属医院(高 萌)；解放成920医院细胞生物治疗中心,干细胞与免疫细胞生物医药技术国家地方联合工程实验室，云南省细胞治疗技术转化医学重点实验室，云南省干细胞工程实验室，昆明医科大学昆明总医院临床学院(郭德镔，潘兴华)；解放军32603部队（王前虹）

核辐射伤主要通过电离辐射造成遗传基因、生物大分子结构破坏和组织细胞变性、坏死，从而引起组织器官功能障碍。人们对核辐射伤的发生、发展机制已经解析的比较透彻，但尚没有找到理想的治疗办法[1]。笔者研究室对人脐带间充质干细胞（UCMSC）注射液治疗辐射伤进行了系统的疗效、机制和安全性研究，证实UCMSC可通过定植分化、分泌细胞因子和外分泌体等机制促进核辐射伤导致的基因和蛋白分子损伤修复、抑制炎症、减少组织细胞死亡、改善血液循环、提高抗氧化应激能力等促进损伤修复[2]。

1 核辐射伤的危害及损伤特点

核辐射伤是严重威胁人类生命的核危害之一，在战争发展到极限程度时，使用核武器是扭转战局的可能选择，例如第二次世界大战末期美国向日本长崎、广岛投放原子弹，当日造成10万人死亡，之后导致40万人死于核辐射伤诱发的癌症等。在和平时期，核泄露事件常有发生，核动力、核电厂、核反应堆等大型核设施发生意外事故，可能造成大批人员遭受核辐射损伤及严重污染环境，对公众健康造成危害，如1986年的切尔诺贝核电站爆炸事件波及人口320万，之后10年有30万人死于核辐射诱发的疾病，欧洲有3/4的土地受到放射性污染；2011年的日本福岛核泄漏事件中，有80%以上放射性物质进入海洋，给大气和海洋环境造成了灾难性后果，已有关于救援人员患白血病、污染区域甲状腺癌发病率上升及对动物遗传威胁的报道。此外，核恐怖袭击是恐怖组织威胁人类生命的重要方法之一。

核辐射伤的特点是损伤广泛,临床表现复杂，造成造血功能障碍、出血和感染，涉及基因断裂、突变，大分子功能蛋白的破坏、细胞水平的损伤、组织器官水平的结构破坏等，常规的药物治疗作用微乎其微。急性辐射伤的特征是造血和免疫抑制、贫血和血小板减少。核辐射伤主要由于辐射能量导致机体内生物大分子化学键断裂，自由基等活性物质大量生成，造成组织细胞不可逆损害[3]。长期超剂量的照射，可引起慢性皮肤损伤、造血障碍、白内障等。常见的辐射伤以外照射为主，其发生、发展水平决定于电离辐射的性质、照射剂量、时间及受照射的身体面积等。在剂量低于1 Gy时，可出现头晕、乏力、食欲下降等轻微症状。剂量在1～10 Gy时，以造血系统损伤为主；剂量在10～50 Gy时，出现以消化道为主的症状，若不经治疗，在2 w内 100%死亡；辐射剂量＞50 Gy时，出现脑损伤，一般在2 d内死亡。人体各组织对核辐射的敏感顺序[4]：（1）高敏组织：骨髓、胸腺、胃肠、性腺、胚胎等，胚胎和胎儿辐射伤可使死胎、畸形、新生儿死亡、白血病和恶性肿瘤的发生率升高；（2）中敏组织：角膜、晶状体、结膜、血管、淋巴管、血窦、皮肤等；（3）低敏组织：中枢神经、性腺以外的内分泌腺等；（4）敏感最差组织：肌肉、软骨、骨和结缔组织等，成人核辐射伤后易患恶性肿瘤，发病率随剂量增加而增高，可导致晶体浑浊、白内障、生殖腺受损。

2 UCMSC治疗核辐射伤的原理

核辐射伤主要由α、β、γ、X射线和中子等电离辐射引起物质电离所致，可导致细胞内染色体损伤，表现为基因断裂、碱基序列错配、缺失等，一定程度的损伤可以通过启动体内的损伤修复机制得以修复，但辐射能量超过人体的修复代偿能力时，则可导致随机性的基因突变[5]。大剂量的电离辐射还可造成细胞内蛋白分子的化学键断裂和结构破坏，从而引起细胞功能变化。核辐射可引起染色体畸变、细胞分裂能力下降和变性、坏死。分裂活动越活跃的细胞对核辐射的敏感性越高，如生殖细胞、淋巴细胞、造血细胞等[6]。分裂活动越不活跃的细胞，对核辐射的敏感性越差，如神经细胞、骨细胞等。由于细胞是维持体人结构与功能正常的基本单元，核辐射伤的治疗关键是设法修复受损的基因、蛋白分子，保护和再生组织细胞。从理论上讲，UCMSC治疗核辐射伤是一种完美的策略，它可通过直接参与分泌细胞因子、外泌体等，在遗传、分子和细胞水平修复辐射损伤，更新、补充受损组织中的坏死细胞。UCMSC治疗核辐射伤的原理和作用[7]：（1）受辐射伤组织因子引导向核辐射伤组织迁移、定植和向损伤组织的功能细胞分化，直接参与辐射伤组织的结构与和功能重建；（2）通过直接接触和分泌炎症抑制因子，抑制辐射伤组织的炎症反应，防治炎性继发性损伤；（3）动态分泌多种生长因子和释放外分泌体，促进损伤组织中的残存细胞分裂、增殖，促进损伤修复；（4）通过分泌细胞因子而动员内源性干细胞促进损伤组织的细胞再生；（5）通过迁移、向血管内皮细胞分化和分泌血管生长因子促进损伤组织的血管再生，从而改善损伤组织的血液循环和代谢功能；（6）通过细胞因子和外分泌体之作用，提高辐射伤组织细胞的自噬能力和自我修复功能，减少细胞凋亡，抑制组织损伤的发展；（7）通过细胞自噬机制及快速启动HR和NHEJ途径修复DNA断裂双键；（8）通过细胞间相互作用、旁分泌、抑制炎症与免疫反应等维护造血微环境稳态，保护与支持造血干细胞，从而有效修复造血损伤。UCMSC对核辐射伤发挥治疗作用的机制涉及UCMSC直接参与、分泌细胞因子和外分泌体促进修复、调节炎症与免疫等，分别给予UCMSC、UCMSC分泌因子或外分泌体也有一定治疗效果，说明UCMSC的疗效是多种因素综合作用的结果[8]。

3 UCMSC治疗核辐射伤的优势

在各种干细胞中“成药”性能最强，可以规模化、工厂化、标准化生产、储存和使用。UCMSC的免疫原性较低，同种异体、甚至是异种UICMS治疗，无明显免疫排斥反应，无需进行基因配型。可在基因、生物大分子、细胞、组织和器官等不同层次发挥修复作用，对急、慢性核辐射伤均有治疗意义。在核战争或核事故发生时后出现批量核辐射伤的伤员时，UCMSC可以像战场急救输血那样紧急提供使用。

4 核辐射伤救治中UCMSC的来源

急性核辐射伤通常是瞬间发生，用于治疗的UCMSC应来源于提前制备并经质量检验合格后储存备用的细胞库，对于慢性核辐射治疗的UCMSC可以来源于细胞库，也可以现制现用。建议军队以战区总医院或军队采供血机构为基础，建立军用UCMSC储备库，以备突发大批量核辐射伤紧急救治使用。因为UCMSC的储存、运输需要特殊的环境条件，可能在复苏、运输等环节延迟或差错而严重影响UCMSC质量，建立UCMSC储备库还可以节约成本和时间。对用于慢性核辐射伤治疗的UCMSC，可以实验室现制现用，也可以来源于UCMSC储存库，但应在使用前进行快速质量检测，以保证疗效和安全。

5 UCMSC治疗核辐射伤的治疗方法

影响UCMSC治疗核辐射伤的疗效的影响因素主要有UCMSC的来源和质量、治疗时机、剂量、次数、伤员接受辐射的剂量、损伤程度及伤员的身体素质等，在具体实施过程中，应根据伤情严重程度和损伤位置，综合考虑并确定治疗方案。（1）治疗途径：急性全身性核辐射伤的UCMSC治疗通常采用静脉注射法，对局部核辐射伤也可采用静脉输注法，但采用局部定位注射法更精准、有效，如体表辐射伤可根据实际采用皮内或皮下注射法，对已经形成的创面可采用喷洒法；对于慢性核辐射伤，可根据损伤组织的严重程度采用定位注射或介入治疗法。（2）治疗剂量和疗程：UCMSC治疗和辐射伤存在一定量效关系，国内外UCMSC临床研究报道的使用剂量从 1×（106～108）细胞/kg不等，疗效差异较大，估计与不同来源的UCMSC质量有关。根据UCMSC治疗辐射伤动物模型研究及安全性评价结果，安全和有效剂量在 1×（106～107）细胞/kg之间。 因此，建议通过静脉输入UCMSC治疗急、慢性核辐射伤的剂量为1×106细胞/kg到 5×106细胞/kg，1次/2 d，连续 3次为一个疗程。局部定位或介入治疗的剂量为1×107细胞/次。（3）疗效评价[9]：辐射伤动物模型治疗实验显示，在放射线照射后2 h内实施UCMSC治疗，可显著减低半致死量照射树鼩和大鼠的病死率，延长存活时间；而照射后24 h进行UCMSC治疗，对降低病死率影响不明显，表明应及早实施。UCMSC治疗对辐射造成的造血功能障碍和白细胞减少，在急性期无显著保护和促进作用，但可促进造血恢复，治疗后1个月左右，外周血白细胞和血小板数量显著高于对照。UCMSC可显著抑制辐射诱导的急性炎症反应水平，降低血浆中IL-1、TNF-α等炎症因子的含量，改善胃肠和肺功能，缩短皮肤、骨及肝、肾组织损伤的恢复时间。UCMSC治疗能否降低遗传基因突变的发生率和减少辐射诱导的恶性肿瘤发生尚待深入研究。（4）辅助治疗：造血系统对核辐射极为敏感，核辐射伤员极易出现造血障碍和免疫细胞减少，从而诱发肺、胃肠道及全身性损伤，因此，抗感染治疗应贯穿于急性核辐射伤治疗的始终。营养支持治疗、补充体液、调节体液平衡等是和辐射伤治疗的常规措施，对辅助UCMSC治疗也有较大帮助。（5）联合治疗：在对辐射伤员实施造血干细胞移植的同时进行UCMSC治疗，可显著提高HSC移植率，有效预防和降低移植免疫排斥反应。在实施UANSC治疗的同时，辅以粒-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)、血小板生成素（TPO）、白介素 -3/6(IL-3/IL-6)、干细胞生长因子（SCF）等治疗，能有效提高轻、中度放射性骨髓损伤。

6 问题与展望

核辐射伤的发生、发展涉及遗传基因、生物大分子、细胞等不同层次的结构破坏，常规药物难以达到有效治疗目的[10]。UCMSC治疗可通过定植分化、分泌细胞因子和外分泌体等对核辐射伤发挥从分子到器官的多重生物效应。目前，UCMSC的制备技术已经成熟，解决了UCMSC用于损伤、退变、炎症等疾病治疗的临床前关键技术和理论问题，进一步的研究重点是进行临床疗效验证和改进技术方法。在UCMSC治疗核辐射伤方面，需要阐明：UCMSC在体内的迁移、定植、分化、整合及长期存活等基本过程和规律；修复基因和生物大分子结构的作用和机制；UCMSC及其分泌的细胞因子、外分泌体在疗效发挥中的作用和机制；长期实验观察UCMSC在防治核辐射诱发基因突变和恶性肿瘤中的作用和机制；UCMSC治疗核辐射伤的量效关系及方法需要进一步优化，用于大规模救治的技术需要标准化和实战化检验。总之，UCMSC在核辐射伤治疗中的应用价值不容置疑，随着UCMSC研究技术的发展，将在核武器伤等高新技术武器伤救治中发挥作用。