间充质干细胞在炎症及免疫相关疾病中作用机制的研究进展

2019-03-17张国瑞李晓明郭雪君

国际呼吸杂志 2019年17期

张国瑞李晓明郭雪君

上海交通大学医学院附属新华医院呼吸内科200092

间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)是目前研究最广泛的多能干细胞之一,命名是基于其能够分化为骨、软骨及脂肪等中胚层组织的特性。MSC目前并无特异性表型,国际细胞治疗学会提出了MSC的鉴定标准,包括贴壁生长、间叶组织分化潜能以及一些表面抗原的表达。除了骨髓,几乎所有出生后的器官及组织中均存在MSC,包括脂肪、乳牙、外周血、关节软骨、脐带血等。到目前为止,骨髓、脂肪组织及脐带血通常被认为是各项研究的主要来源。MSC不表达人类组织相容性抗原MHC-Ⅱ类分子及共刺激分子CD80、CD86且能够在体外大量扩增而不失其免疫调节及分化潜能,这些优势均使得MSC能够在组织工程、再生医学、炎症及免疫相关性疾病的治疗中发挥重要作用。

MSC已被证实在实验性自身免疫性脑脊髓炎、移植物抗宿主病、支气管哮喘、COPD、肺纤维化、糖尿病等多种疾病动物模型中起到了改善疾病的作用。大量研究证实,MSC通过旁分泌及细胞间接触的方式发挥其改善作用。本文就MSC在炎症及免疫相关性疾病中的作用及机制的研究进展作一综述。

1 MSC在组织损伤中的分化作用

MSC在多种组织中的广泛存在以及其多向分化能力使得其在多种临床疾病模型中存在非常广阔的前景,尽管MSC缺失特异性的标志以示踪追寻其向受损部位迁移的方式,我们有理由推测病理条件下严重的组织损伤可以动员并募集MSC至损伤部位进行修复。外源性MSC应用时也可归巢至损伤部位,向特定细胞分化并促进组织再生。MSC通过向多种基质细胞或受损的组织细胞分化,并可以在局部微环境与多种类型的组织细胞及免疫细胞比如内皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、中性粒细胞等相互作用,促进组织损伤的修复。有研究在猪胰弹性蛋白酶构建的小鼠肺气肿模型中,体外诱导羊水MSC向肺上皮祖细胞样细胞分化后气道注射可以减轻气道炎症和纤维化效应,恢复肺泡再生和减少凋亡[1]。实际情况下MSC自发向受损细胞分化是相对罕见的,更多的是通过分泌一系列的生长因子,比如表皮生长因子、纤维母细胞生长因子、转化生长因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)、血管内皮生长因子等,进而影响成纤维细胞和内皮细胞的发育,最终通过细胞外基质与血管促进组织的修复,这可能是MSC促进组织修复的基本机制。组织损伤涉及到多种免疫细胞的参与,但过度的免疫细胞激活则可能反而加重损伤。MSC的低免疫原性及高免疫抑制能力已被证实,在众多损伤模型中MSC的修复可能部分归功于其免疫抑制功能。

2 MSC在细胞间接触时的修复及免疫调节作用

早期研究表明支气管哮喘发病过程存在上皮细胞线粒体功能障碍,而新证据表明,MSC可以通过细胞间连接比如隧道纳米管将线粒体转移至受损的上皮细胞使其恢复正常功能。研究发现,线粒体Rho-GTP酶Miro1参与调控MSC线粒体至上皮细胞的转移[2]。该研究通过过表达MSC中的Miro1增强了线粒体的转移及对上皮损伤的修复能力,而Miro1的敲减则引起相反的结果。在鱼藤酮构建的动物气道炎症及哮喘模型中,相对普通MSC,过表达Miro1的MSC增强了对气道炎症的改善作用,同时逆转了气道高反应性及气道重塑。而在另一体外实验中,过表达Miro1并没有改变一氧化氮(nitric oxide,NO)、TGF-β、IL-10以及前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)的表达,即未对MSC分泌特性产生影响,但降低了炎症因子刺激的支气管上皮细胞分泌的TSLP、IL-25以及IL-33的表达。总的来说,过表达Miro1的MSC通过隧道纳米管转移线粒体改善了上皮细胞的损伤,避免了免疫反应的放大,最终增强了MSC在哮喘模型中的治疗效能。

研究显示,多能干细胞来源的MSC与人气道平滑肌细胞共培养时可降低烟熏提取物刺激引发的平滑肌细胞线粒体活性氧水平,缓解线粒体膜电位下降以及细胞凋亡。在体则可缓解臭氧暴露构建的COPD模型中线粒体功能障碍,降低气道高反应性以及减轻气道炎症。这些效应至少部分依赖于细胞间接触的线粒体转移以及旁分泌调节[3]。

很多研究证实,在MSC介导的免疫调节过程中,促炎细胞因子具有重要作用,MSC在炎症因子的刺激下产生多种趋化因子及黏附因子,使MSC与免疫细胞密切接触,在这种条件下MSC可通过分泌多种因子等方式发挥最大的抑制效应。

3 MSC分泌多种因子在免疫调节中的作用

在多项研究中,IL-10、TGF-β、NO、吲哚胺2，3-双加氧酶(indoleamine 2，3-dioxygenase,IDO)、肿瘤坏死因子诱导蛋白6(tumor necrosis factor-stimulated gene 6,TSG-6)以及PGE2分别被认为参与介导MSC的免疫抑制作用。有研究通过分离猴、猪、小鼠、大鼠、仓鼠、人、兔的骨髓MSC,体外实验均验证了其可发挥免疫抑制作用,通过诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)及IDO抑制剂发现骨髓MSC发挥免疫抑制作用的因子依赖于物种。人、猴、猪来源的骨髓MSC利用IDO进行免疫抑制,而小鼠、大鼠、仓鼠、兔来源的骨髓MSC则依赖iNOS表达[4]。

3.1NO NO是一种不稳定的、具有生物活性的、快速扩散的气体小分子。NO及其衍生的活性氮可以影响多种酶、离子通道和受体。在炎症因子的刺激下小鼠MSC可上调iNOS的表达,进而调控NO的生成,同时MSC表达CXCL9、CXCL10及CXCL11等多种趋化因子,引起淋巴细胞向MSC的趋化,使NO可以在局部环境抑制淋巴细胞的增殖。NO的不稳定使得其只能在MSC周边很小的范围内产生生理作用。因此,在体外MSC与淋巴细胞transwell共培养体系中,NO扩散受限,免疫抑制作用不如细胞直接接触共培养效应明显。NO促进T淋巴细胞内信号传导及转录激活因子5(signal transducers and activators of transcription 5,STAT5)的磷酸化,进而抑制淋巴细胞的增殖,并促进细胞的凋亡。研究发现,T细胞来源的NO抑制CD4+T细胞向Th17分化,NO可以引起Th17特异性转录因子RORγ酪氨酸残基的硝基化,抑制RORγ与IL-17基因启动子的结合,抑制Th17的分化[5]。iNOS抑制剂或者iNOS基因敲除都能很大程度上逆转MSC在小鼠移植物抗宿主病模型及迟发型变态反应中的治疗效应[6]。

在大鼠胃溃疡模型中,MSC、NO或者MSC与NO联合均可通过抗炎、血管生成和抗凋亡的作用对胃溃疡黏膜病变产生治疗作用。在分枝杆菌构建的小鼠脓肿模型中,静脉注射MSC不仅提高了小鼠的存活率,而且增强了小鼠肺及脾脏的细菌清除。此外,MSC通过增强NO及PGE2的表达以及促进CD4+/CD8+T细胞、高表达CD11b的巨噬细胞和单核细胞向感染的肺脏募集进而治疗分枝杆菌感染。

3.2IDO IDO在MSC发挥免疫调节作用中的地位得到越来越多研究的证实,包括抑制T淋巴细胞及自然杀伤细胞的增殖等。IDO是必需氨基酸色氨酸代谢的限速酶,由此导致的局部色氨酸的消耗以及产生的具有免疫调节作用的色氨酸代谢产物被认为有助于IDO表达细胞,包括MSC发挥免疫调节作用。其中犬尿氨酸与犬尿酸(KYNA)是人MSC产生最多的色氨酸代谢产物。研究发现,KYNA可以通过调节炎症相关基因比如IL-6的表达发挥免疫抑制作用。KYNA可以与MSC芳香烃受体结合后入核,促进靶基因TSG-6的表达,缓解了急性肺损伤模型中性粒细胞浸润[7]。有研究发现人MSC可剂量依赖性抑制病毒特异性T细胞的增殖。进一步的研究发现,病毒特异性T细胞产生的干扰素γ(interferon-γ,IFN-γ)刺激了人MSC的IDO活性,进而抑制了混合淋巴细胞反应中淋巴细胞的增殖,该抑制作用可被IDO抑制剂1-MT部分逆转[8]。在异位气管移植模型中,人脂肪来源的MSC可以通过减少上皮细胞损伤、凋亡及管腔阻塞从而改善闭塞性细支气管炎,该效应至少部分是通过提高IDO表达进而促进Treg并抑制T细胞浸润而起作用[9]。

Gonzalo-Gil等[10]在小鼠关节炎模型中给予人MSC后通过上调淋巴结中Treg及Th1细胞比例以及IDO的表达从而缓解了炎症反应。此外,人MSC可通过上调IDO以及人类白细胞抗原G抑制克罗恩病肠黏膜T淋巴细胞引起的过度的炎症反应。人MSC同样可通过分泌大量的IDO抑制系统性红斑狼疮患者T淋巴细胞增殖,其中CD8+T细胞分泌的IFN-γ通过IFNGR1/Jak2/STAT信号通路增强了IDO的活性[11]。通过对IFN-γ刺激过的MSC进行流式染色,研究人员发现IDO与PD-L1的表达与MSC对淋巴细胞增殖的抑制功能呈正相关[12]。这些都说明了IDO在人MSC免疫调节功能中的重要作用。

3.3PGE2PGE2是MSC在炎症因子刺激后产生的另一种免疫抑制分子。已有报道PGE2参与MSC介导的对T淋巴细胞、自然杀伤细胞以及巨噬细胞的抑制。在小鼠炎症性肠病模型中,腹腔注射猫脂肪MSC可以通过分泌PGE2进而增加Foxp3+Treg的比例来减轻炎症反应[13]。MSC可抑制naïve CD4+细胞及记忆性T细胞向Th17分化,同时也能抑制单侧输尿管梗阻模型炎症部位Th17分泌IL-17A,该效应通过细胞接触后诱导MSC环氧合酶2的生成,进而分泌PGE2并和前列腺素受体EP4结合而完成[14]。研究发现,促炎型M1巨噬细胞可通过MSC环氧合酶2-PGE2途径促进成骨分化,这可能为非甾体类抗炎药对骨折愈合的不良影响提供一种可能的解释[15]。在小鼠急性肝衰竭模型中,MSC可通过分泌PGE2抑制肝细胞凋亡,还可通过活化YAP使其相关基因表达增加并激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白,协同刺激肝细胞的增殖,最终促进急性肝衰竭的恢复[16]。PGE2是炎症微环境重要组成部分,其在MSC介导的免疫调节作用中的角色需要进一步研究。在脂多糖诱导的急性肺损伤小鼠模型中气道给予脐带血来源的MSC可以显著提高生存率并减轻肺部炎症。蛋白质芯片及生物信息学分析显示MSC主要通过旁分泌尤其是PGE2的分泌发挥治疗作用[17]。

3.4TSG-6 TSG-6是一种广泛表达的抗炎因子,参与多种炎症及免疫相关性疾病进程。如前所述,色氨酸代谢产物KYNA促进靶基因TSG-6的表达,缓解了急性肺损伤模型中性粒细胞浸润。研究发现,在高氧诱导的新生小鼠支气管肺发育不良模型中,腹腔注射MSC条件培养基及外泌体均可显著改善肺、心和脑病理,进一步的研究发现外泌体中存在的TSG-6可减轻支气管肺发育不良及相关疾病,给予相应抗体或者siRNA敲除均逆转了MSC外泌体的治疗作用,这都提示TSG-6在支气管肺发育不良的治疗中发挥重要作用[18]。在小鼠原位肺移植构建的缺血再灌注模型中,静脉给予MSC提高动脉血的氧合能力,减少肺部炎症细胞浸润,降低Toll样受体4表达,促进TSG-6的生成,使移植肺免受缺血再灌注及细胞凋亡的影响[19]。小鼠炎症性肠病模型中,MSC通过释放TSG-6诱导小鼠巨噬细胞表型向抗炎型M2巨噬细胞转化,减轻了硫酸右旋糖酐钠诱导的结肠炎[20]。同样有研究发现在小鼠糖尿病模型中,结膜下注射MSC可通过分泌TSG-6激活角膜上皮干细胞/祖细胞,促进M2巨噬细胞极化,促进了糖尿病小鼠角膜上皮的愈合[21]。在脂多糖诱导的小鼠重症急性胰腺炎模型中,腹腔注射MSC分泌的TSG-6显著抑制内质网应激及炎症反应中的核转录因子κB活性,进而改善重症急性胰腺炎[22]。

3.5IL-10 尽管IL-10被认为参与了MSC介导的免疫调节作用,MSC是否直接分泌IL-10仍需要更多的证据来证明。IL-10转染的MSC对小鼠实验性自身免疫性脑脊髓炎模型CD4+T淋巴细胞的增殖具有更明显的抑制作用,在体则可明显改善髓鞘化,减少脊髓白质中淋巴细胞浸润[23]。有报道在IFN-γ和肿瘤坏死因子α刺激下,MSC中糖皮质激素诱导亮氨酸拉链蛋白转移入核,促进激活素A的表达,最终通过激活Smad3/2及增强T淋巴细胞IL-10的生成抑制Th17的分化[24]。体外研究发现MSC可通过IL-10抑制Th17的分化,IL-10抗体或siRNA均可逆转该现象,其机制可能涉及STAT5的磷酸化以及STAT3与Th17特异性转录因子RORγ启动子结合的减弱[25]。在鸡卵清白蛋白构建的小鼠哮喘模型中,尾静脉给予脂肪MSC上调了肺组织中IL-10水平,促进了Treg的分化,抑制了气道炎症及高反应性[26]。

3.6其他因子除了上述因子,半乳凝素TGF-β、PD-L1、血红素加氧酶1等因子均被报道参与介导MSC的免疫调节作用,它们在免疫调节作用中的地位以及与其他因子之间的相互关联仍需要更多的研究。