新型冠状病毒肺炎潜在的发病机制及间充质干细胞治疗作用的研究进展

赵亚萍，马辉，曹洁△

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）致病机制尚不明确，目前主要以对症支持、抗病毒、氧疗、重要脏器维护等治疗为主，缺乏特异性治疗方法。当前全球抗疫形势依然严峻，寻求新的干预措施，进一步降低死亡率并改善患者预后十分迫切。近年来，大量研究探讨了间充质干细胞（MSC）对急性呼吸窘迫综合征（ARDS）、急性肺损伤等肺部疾病的治疗作用并取得进展。MSC凭借其免疫调节、组织修复等特性有望为COVID-19重型患者的治疗提供新的临床思路。本文旨在通过阐述COVID-19潜在的致病机制、MSC对COVID-19治疗的可能机制及在治疗中的应用，探讨MSC治疗COVID-19的前景和优势。

1 新型冠状病毒潜在的致病机制

全基因组测序分析表明新型冠状病毒（SARSCoV-2）与严重急性呼吸综合征冠状病毒（SARS-CoV）的核苷酸同源性为79.0%，两者具有类似的受体结合区域［1］。它在系统发育上最接近蝙蝠SARS样冠状病毒，核苷酸同源性为87.6%～87.7%。研究证实，SARS-CoV-2可通过其表面的棘突糖蛋白S蛋白与人体呼吸道上皮细胞的血管紧张素转换酶2（ACE2）结合，侵染宿主细胞，进行病毒复制、扩增、释放，同时激活机体的防御反应［2］。ACE2在人体多组织器官均有表达，尤其以肺泡上皮细胞、气道Club细胞及纤毛细胞为著［3-4］。SARS-CoV-2可攻击肺脏干祖细胞，损害其再生系统，重型患者或可发展成肺纤维化。因此，SARS-CoV-2感染人体后可引起以肺脏损伤为主的全身多器官损伤，甚至功能衰竭。细胞因子风暴、免疫应答失衡可能是COVID-19导致ARDS及多脏器功能衰竭（MOF）甚至死亡的病生理基础。

1.1 细胞因子风暴 大部分COVID-19患者临床症状较轻，但仍有部分患者后期病情加重，最终死于ARDS，甚至MOF，其原因与病毒感染过度激活免疫系统致细胞因子风暴及其造成的组织损伤有关［5］。细胞因子风暴是指机体受外界刺激后引起体液中多种细胞因子，如肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-1、IL-6、IL-12、干扰素（IFN）-α、IFN-β、IFN-γ、单核细胞趋化因子蛋白（MCP）-1和IL-8等迅速大量产生的现象。Huang等［6］对COVID-19患者的临床数据分析后发现重型患者易出现细胞因子风暴，重型监护室（ICU）患者血浆IL-2、IL-7、IL-10、粒细胞集落刺激因子（G-CSF），IFN-γ诱导蛋白（IP）-10、MCP-1、巨噬细胞炎性蛋白（MIP）-1A和TNF-α水平高于非ICU患者，这表明细胞因子风暴与疾病严重程度有关，是疾病向重型和危重型发展的重要因素。另有研究证实血清TNF-α、IL-6、IL-10可能是SRAS-CoV-2感染疾病严重程度的潜在标志物［7］。Chen等［8］报道99例COVID-19患者中17例出现了ARDS，患者病情短期内恶化，推测细胞因子风暴造成了肺毛细血管内皮细胞以及肺泡上皮细胞的弥漫性损伤。然而COVID-19所致细胞因子风暴的机制尚不明确，可能为SRAS-CoV-2感染后迅速激活免疫细胞，产生粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）和IL-6等，大量免疫细胞聚集在肺部，启动瀑布式炎症级联反应，释放大量细胞因子并不断激活炎性细胞致炎症风暴，从而造成肺部和其他器官的严重免疫损伤［8-10］。

1.2 免疫失衡 淋巴细胞减少是COVID-19患者的常见特征，是与疾病严重程度和死亡相关的因素。这种淋巴细胞耗竭的现象主要影响CD4+、CD8+T淋巴细胞，中性粒细胞与淋巴细胞比值（NLR）是判定患者预后的重要因素［11］。研究证实，COVID-19重型患者CD4+T和CD8+T数量显著减少，且与血清IL-6、IL-10和TNF-α水平呈负相关［7］。随着患者从前驱阶段向明显症状阶段发展，T细胞表面衰竭标志物程序性死亡受体（PD）-1和T细胞免疫球蛋白黏蛋白（Tim）-3表达增加，进一步表明T细胞衰竭部分解释了肺部严重的免疫损伤［7］。COVID-19重型患者自然杀伤（NK）细胞亦较轻型患者减少，而B细胞显著增加［12］。COVID-19患者还可出现以辅助性T细胞17（Th17）增加、CD8+T细胞高细胞毒性为表现的T细胞过度活化，致其处于严重免疫紊乱状态［13］。此外，COVID-19患者双肺均可见以淋巴细胞为主的间质炎症细胞浸润，肺泡腔内出现多核巨细胞和非典型增大的肺泡细胞，与SARS患者相似；其组织学可见弥漫性肺泡损伤和肺透明膜形成等ARDS表现［13］。因此，免疫系统过度激活引起的免疫失衡可能导致COVID-19患者症状加重，甚至预后不良。

1.3 肺纤维化 肺纤维化是一种慢性、进行性和破坏性的间质性肺疾病（ILD），以成纤维细胞增殖及大量细胞外基质沉积、肺组织结构破坏为主要特征。一项荟萃分析显示14.8%的COVID-19患者可出现ARDS，ARDS早期即可出现胶原蛋白、促纤维化因子水平增加，以及成纤维细胞迁移、增殖和胶原沉积［14］。在ARDS进程中，经典激活的巨噬细胞（M1）和替代激活的巨噬细胞（M2）之间的转化可能是引起肺部炎症损伤和纤维化的重要原因［15］。T淋巴细胞中Th1/Th2平衡处于高水平的平衡状态或偏向Th2，会导致免疫球蛋白过度沉积、成纤维细胞合成胶原蛋白增加，发生肺纤维化的风险也随之增加。在重型COVID-19患者血清中可以观察到Th1和Th2型细胞因子水平均显著提高［16］。因此，Th2型细胞因子促进纤维化的不良反应得到明显加强，重型COVID-19患者肺纤维化风险明显增高。血清涎液化糖链抗原（KL-6）在ILD早期诊断、病变程度及疾病的预后评价中具有重要价值。KL-6作为重型COVID-19的新型潜在标志物，在重型患者中显著升高［17］。

2 MSC治疗COVID-19的可能机制

MSC属成体干细胞，是一类具有多分化潜能及自我复制能力的早期未分化细胞。它来源广泛、易于分离培养和导入，并可表达外源基因，不涉及伦理道德问题，更适合大规模推广应用。MSC凭借其免疫调节、抗炎、组织修复等特性在COVID-19重型患者的救治中初显成效，有望成为新型治疗方案。

2.1 免疫调节作用 机体免疫应答异常是导致COVID-19患者病情加重的重要因素。MSC具有强大的调节炎症反应功能，对固有免疫和适应性免疫的多种效应细胞具有显著的免疫调节作用。MSC主要通过旁分泌机制分泌多种类型的细胞因子或与免疫细胞间相互作用介导调节免疫反应平衡。

研究发现，MSC可以抑制CD4+、CD8+T细胞增殖，其表面表达的PD-1、半乳糖凝集素（Gal）-9等多种免疫抑制分子可与T细胞表面的相应受体结合，抑制T细胞过度活化［18］。不仅如此，MSC也可抑制异常激活的Th1和Th17细胞分化，诱导Th17细胞向调节性T细胞分化，进而减少促炎因子IFN-γ的释放，上调Th2以促进抗炎因子IL-4的释放，进而抑制免疫系统过度活化，预防细胞因子风暴的发生［19］。MSC还能抑制B细胞增殖，诱导配对盒基因5（PAX5）蛋白生成，下调B细胞中转录因子成熟蛋白（Blimp）-1 mRNA表达，阻止其向浆细胞分化，降低B细胞抗体分泌水平，并抑制B细胞向淋巴结趋化，调节免疫状态［19］。巨噬细胞是固有免疫中最为关键的细胞之一，MSC既可以通过加强巨噬细胞氧化磷酸化来促进M2型巨噬细胞的表达，又能通过细胞外介导的囊泡转移自身的线粒体到巨噬细胞中以增强抗炎及吞噬能力。NK细胞是颗粒细胞毒性免疫细胞，MSC可抑制活化的NK细胞的细胞毒作用以及NK细胞增殖和细胞因子分泌，也可通过降低活化标志物的表达改变NK细胞表型，改善免疫状态［20］。MSC还能抑制单核细胞向树突细胞（DC）分化，干预DC成熟和抗原提呈功能，减少DC激活和炎性因子分泌，进一步发挥免疫抑制功能［19］。

2.2 组织修复及抗纤维化作用 MSC能迁移至受损的组织，主要通过旁分泌作用向受损组织周围释放细胞因子、生长因子和囊泡（如外泌体），刺激原始组织细胞进行修复及组织功能特性恢复。MSC可分泌血管生成素、角质细胞生长因子（KGF）、肝细胞生长因子（HGF）等改善肺部微环境，修复肺泡上皮细胞和血管内皮细胞，促进肺泡Ⅱ型上皮细胞释放表面活性物质，恢复肺组织的通透性［21］；亦可以在局部分泌血管内皮生长因子（VEGF），与HGF产生协同作用，起到肺组织修复和血管重建的作用，增强肺泡-上皮屏障的修复［22］。除了移植MSC本身，MSC外泌体同样具有组织修复、抗炎和免疫调节等功能。研究发现，MSC外泌体携带的KGF能够减少炎症因子释放和肺泡内蛋白渗出并减轻肺水肿，保护内毒素诱导的急性肺损伤［23］。此外，MSC可减少转化生长因子（TGF）-β、血小板源性生长因子、胰岛素样生长因子-1等纤维化生长因子生成，降低基质沉积和纤维增生，减轻纤维化的程度［24］。在动物实验中，MSC可减少PM2.5诱导的大鼠Ⅱ型肺泡上皮细胞凋亡和坏死，有效改善肺损伤和肺部纤维化［25］。

3 MSC对COVID-19及肺纤维化的治疗

截至2020年5月，在Clinical Trials.gov上注册的MSC治疗肺部疾病的临床研究共68项，其中包括COVID-19、ARDS、特发性肺纤维化等疾病［26］。ARDS是导致重型COVID-19患者死亡的重要因素。国内已有研究人员将MSC治疗用于H7N9禽流感导致的ARDS患者，显示其具有良好的治疗效果［27］。一项系统综述评估了MSC对ARDS的治疗潜能，发现MSC可以显著改善ARDS患者肺功能、减轻其炎症反应并降低病死率；输注MSC后的患者无或仅有轻微的输入性毒性反应，证实了该疗法的安全性和有效性，为临床应用MSC治疗COVID-19重型患者奠定了良好的基础［28］。

目前大部分临床试验尚处于初期阶段，仅有个别试验公布了相关数据。有文献报道采用人脐带间充质干细胞（HUCMSC）对COVID-19危重型患者进行治疗，该患者在抗生素和胸腺素α1辅助治疗基础上，经3次MSC静脉回输治疗后病情得到了极大的改善，白细胞、中性粒细胞和淋巴细胞计数均恢复到正常水平，CD3+、CD4+、CD8+T细胞计数也恢复到正常水平［29］。由此可提示HUCMSC治疗或可成为救治COVID-19危重型患者的理想临床方案之一，并且与其他免疫调节剂联合使用可增强疗效。Leng等［30］研究显示，COVID-19患者在接受MSC治疗后，其肺功能和症状明显改善，治疗6 d后过度活化的趋化因子受体3（CXCR3）+CD4+T细胞、CXCR3+CD8+T细胞和CXCR3+NK细胞几乎消失，CD14+CD11c+CD11bmid调节性树突状细胞群数量显著增加，血清TNF-α水平显著降低，IL-10水平升高，表明MSC具有显著的免疫调节功能，可有效减轻肺部炎症反应。Sengupta等［31］发现MSC外泌体亦可明显改善COVID-19患者的临床症状和氧合状态，恢复中性粒细胞和总淋巴细胞计数，显著增加CD3+、CD4+、CD8+T淋巴细胞计数，降低C反应蛋白、铁蛋白、D-二聚体水平。

此外，MSC能有效改善胺碘酮诱导的大鼠肺纤维化及肺部损伤，通过抑制核因子（NF）-κB信号通路，阻断肺部促炎因子表达，减低肺部炎症水平，并最终逆转纤维化进程［32］。一项在人体内高累积剂量干细胞治疗特发性肺纤维化伴肺功能快速下降的临床研究显示，MSC能够有效遏制特发性肺纤维化的快速进展，且安全性评估未发现治疗相关的显著不良反应事件［33］。圣保罗州立大学研究团队前期研究发现，脂肪来源的MSC及其分泌组的条件培养基能够减轻博来霉素诱导的小鼠肺损伤，由此他们认为MSC条件培养基或许可以作为COVID-19重型患者的替代治疗方法［34］。

4 总结与展望

目前COVID-19的确切发病机制尚不明确，缺乏特异性治疗方案。现有研究表明COVID-19患者病情加重或死亡与机体免疫系统过度激活诱导的细胞因子风暴密切相关。MSC凭借其免疫调节、抗炎作用、组织修复等特性在COVID-19重型患者的救治中初显疗效，有望成为重型患者同情用药治疗后不可行情况下的替代方案。但是，目前多数治疗缺乏动物实验依据及合适的临床对照试验，最佳MSC来源和剂量、给药时间窗、给药途径和频率尚不十分清楚，仍需要严谨的科学态度推进临床试验进展及更多数据的进一步反馈，从而优化治疗方案。