间充质干细胞治疗肺纤维化的研究进展

陈民佳，汪晓月，陈客宏，陆红祥

(陆军军医大学大坪医院 消化内科，重庆 400042)

肺纤维化(pulmonary fibrosis，PF)是以成纤维细胞增殖及大量细胞外基质聚集，并伴有炎性反应、组织结构破坏为特征的一大类肺部疾病，是正常的肺泡组织损伤后经过异常修复而导致的结构异常(瘢痕形成)。近年来，随着对PF发病机制的深入研究，集中在探索一些抗纤维化的新药。目前临床上常用的药物如免疫抑制剂，吡非尼酮等都只能在疾病早期进行干预治疗。PF终末期除了长期氧疗和肺移植外，尚无较好的治疗手段。

间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)是一种具备多向分化潜能、趋化特性、免疫调节作用及旁分泌功能的多能干细胞，能通过分泌多种细胞因子和可溶性因子，促进组织再生，具有抗感染和抗纤维化的特性[1-2]。在以往的研究中，将MSCs用于肺组织修复和再生的研究取得了系列进展。MSCs不仅降低炎性因子水平，减少活化的成纤维细胞和胶原的沉积，还能促进上皮修复，表明MSCs可能是PF疾病的一种新型治疗选择[3]。然而，将MSCs用于PF治疗也存在以下问题，如：动物和人类之间的差异、临床试验的样本量较小、出现不良反应和伴随肿瘤形成等[4]。因此，将MSCs用于PF的临床治疗仍需进一步的研究。本文拟对MSCs在治疗特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)、放射性肺纤维化(radiation PF,RPF)和硅肺性PF等中的有效性、安全性及异源性进行探讨，为后续开展MSCs治疗PF的临床试验提供参考。

1 间充质干细胞的基本特性及应用前景

MSCs是一种多能干细胞，它具有干细胞的所有共性，即自我更新和多向分化能力。MSCs可以从不同类型的组织中获得，如骨髓、脂肪组织和脐带血等。其中骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BM-MSCs)是干细胞治疗的主要来源[5]。根据国际细胞治疗学会的指导方针，可以通过特定的细胞表面标志物(CD1051、CD731、CD901、CD34-、CD14-或CD11b-、CD79-或CD19-、HLA-DR-)来鉴定MSCs。此外，多向成骨、成脂和成软骨的分化潜能是MSCs定义的主要标准。根据组织来源及分离和培养过程的不同，MSCs可能具有不同的生物学特性,它们的多能性、迁移能力和免疫保护状态使其在多种疾病中的治疗作用得到了广泛的应用，这些疾病主要包括(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)、严重的慢性哮喘[6]、糖尿病[7]和脓毒症[8]等。这些研究证据表明，MSCs在人类疾病的治疗过程中具有良好前景。

2 间充质干细胞在肺纤维化(PF)治疗中的应用

2.1 间充质干细胞在特发性肺纤维化(IPF)治疗中的应用

特发性肺纤维化(IPF)是一种进行性不可逆转的致死性纤维化性肺部疾病，是间质性肺病(interstitial lung disease，ILD)的最常见形式。目前对IPF发病机制的认识尚不清楚，尚无有效的治疗方案，IPF已成为一种最具生命威胁的疾病。

在博莱霉素诱导的肺纤维化动物模型的初期和早期给予骨髓间充质干细胞(BM-BMSCs)治疗后，可降低肺组织的炎性因子水平、减少活化的成纤维细胞和胶原的沉积、促进上皮细胞修复等。然而，将BMSCs用于治疗肺纤维化晚期时，未观察到明显的治疗作用[3]。同时，为探讨脂肪间充质干细胞(adipose-derived mesenchymal stem cells，AD-MSCs)的治疗效果，治疗组在小鼠气管内注射博莱霉素后的第3、6和9天分别通过尾静脉注射MSCs，对照组则从第3天起以100 mg/kg口服吡非尼酮，每日3次。AD-MSCs能明显提高小鼠的存活率，减轻肺脏质量，减少胶原沉积，其治疗效果优于吡非尼酮组。同时，组织学分析和HRCT同样证实AD-MSCs对博莱霉素诱导的肺纤维化有保护作用[9]。一项I期临床试验表明在给IPF患者静脉单次注射同种异源体数量为2×108个BMSCs后，受试者随访6个月期间内没有观察到用力肺活量(forced vital capacity，FVC)、一氧化碳弥散性肺活量(diffusion capacity for carbon monoxide of the lung，DLCO)、6 min步行试验(6MWT)或CT纤维化评分的下降，表明干细胞治疗具有良好安全性[10]。

MSCs防治IPF的作用机制尚不明确。目前的研究认为AD-MSCs和AD-MSCs的条件培养液可通过调节细胞外基质(extracelluar matrix，ECM)诱导的白介素17(interleukin 17，IL-17)介导的免疫反应来减轻博莱霉素诱导的大鼠肺纤维化[11]。BM-BMSCs减轻肺纤维化的保护作用主要归因于BM-BMSCs释放白细胞介素-1受体拮抗剂，导致IL-1和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的表达和/或活性降低[12]。通过检测肝细胞生长因子((hepatocyte growth factor，HGF)及其参与的PI3K/AKT/mTOR通路蛋白的表达，得出源自人脐带沃顿胶间充质干细胞的外泌体可以通过增加HGF信号转导来抑制博莱霉素诱导的肺组织凋亡和纤维化及PI3K/AKT/mTOR活化，而HGF mRNA缺陷型细胞微泡(microvesicles，MVs)可逆转这一作用[13]。

2.2 间充质干细胞在放射性肺纤维化(RPF)治疗中的应用

RPF是在胸部肿瘤如乳腺癌、食管癌、肺癌和其他恶性肿瘤进行放射治疗后，导致肺结构的破坏和纤维组织的堆积，从而使机体的气体交换功能发生改变，导致呼吸困难和间质液体堆积，最终引发呼吸衰竭和死亡[14]。RPF的患者的生活质量降低，并伴有进行性和不可逆转的器官功能障碍。

BM-MSCs能产生抗氧化酶如超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase1，SOD1)、超氧化物歧化酶3(SOD3)和锰超氧化物歧化酶(MnSOD)来降低氧化应激和活性氧水平，保护肺组织免受辐射导致的内皮损伤[15]。与未修饰的MSCs相比，携带SOD3或MnSOD基因的MSCs在照射后的肺中显示出更强的抗纤维化作用[16]。一项临床研究中，11例乳腺癌或淋巴肉芽肿病患者接受了自体BM-MSCs结合标准疗法的治疗后，患者对放射的反应稳定，在炎性反应和免疫状态方面没有不良变化[17]。用脐带间充质干细胞(umbilical cord mesenchymal stem cells，UC-MSC)治疗放射性肺纤维化(radiation pulmonary fibrosis，RPF)无严重的不良反应，且能够降低CT肺密度和改善临床症状首次证实了UC-MSC治疗RPF是相对安全和有效的[18]。尽管体外和体内证据表明，基于MSCs的治疗放射性肺纤维化是有效的，但仍需要更大样本量的临床试验加以证实。

对于MSC治疗RPF的机制有许多。有研究发现UC-MSC是通过减少生长转化因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)抑制纤维化的形成[18]。MSCs通过Wnt信号通路直接影响辐射后肌成纤维细胞的聚集，并减少肌成纤维细胞的分化[19]。MSCs分泌的HGF通过肝细胞生长因子受体降低肺泡Ⅱ型上皮细胞(alveolar typeⅡepithelial cell, AT-Ⅱ)的上皮细胞间充质转化(epithelial- mesenchymal transition，EMT)，从而以基质金属蛋白酶(matrix metallo-protein, MMP)依赖的方式诱导肌成纤维细胞凋亡[20]。经修饰后过表达肝细胞因子的BM-MSCs能够减少辐射诱导的肺纤维化[21]。然而对于MSCs治疗RPF过程中是否会导致细胞内蛋白修饰的改变，是否会影响细胞间通讯的变化,等等，从而发挥治疗的作用，尚需要进一步的研究。

2.3 间充质干细胞在矽肺性肺纤维化(PF)治疗中的应用

矽肺是由吸入结晶性二氧化硅粉尘引起的一种不可逆性、慢性、纤维增生性肺病。这是一种世界性的职业病，一旦发病很难扭转，目前的治疗大都是采用延缓PF药物和肺灌洗，但治疗效果不理想。

研究发现BM-MSCs在注入二氧化硅建立的矽肺模型的小鼠体内后，细胞迁移到肺损伤区域，减轻了PF[22]。与硅胶组相比，BM-MSCs治疗组大鼠肺泡间质增厚减轻，细胞结节减少，胶原沉积减少,证明了BM-MSCs抑制PF,并保护受损的上皮细胞[23]。BM-MSCs还通过减少内质网压力和抑制内皮细胞的自噬来抑制内皮细胞间充质细胞转化(endothelial-mesenchymal fransition, End-MT)[24]。通过对已经成早期(尘染4周)PF的矽肺小鼠进行连续输注BM-MSCs能有效改善矽肺小鼠的肺纤维化，并认为其结果可能是通过调节辅助性T 细胞17(T helper cell 17, Th17)/调节性T细胞( regulatory T cell，Treg)失衡来缓解矽肺小鼠肺纤维化进程[25]。BM-MSCs移植可以减轻二氧化硅处理动物肺的病理改变，恢复上皮特征，减少特定蛋白表达所显示的间质特征。研究认为Wnt/β-catenin信号通路的减弱可能是BM-MSCs抗纤维化作用的机制之一[26]。BM-MSCs很难分化为上皮细胞，所以BM-MSCs的抗纤维化作用主要是通过旁分泌方式发挥的，而不是通过其分化能力发挥作用[22]。这些结果提供了有关二氧化硅诱导的PF的新信息，并确定了未来治疗的潜在和可能的靶点。

3 问题与展望

基于MSCs的免疫调节和组织修复功能，目前在多种PF动物模型已证实MSCs可有效改善PF。在多项MSCs治疗PF的临床研究中发现，MSCs在缓解肝脏、肾脏纤维化方面有不错的进展，且并无严重不良反应。但是，目前还存在最佳给药途径和时间，确切的剂量方案和重复治疗的必要性，以及同种异体或自体MSCs的使用和MSCs的最佳来源等问题，还需进行大样本队列研究来证明。从动物实验到临床仍然还有很长距离，随着细胞生物技术的发展应用，相信对于干细胞治疗PF的机制会有更深入和全面的认识，更多的潜在治疗靶点将会被发现。