间充质干细胞修复缺血再灌注组织损伤的免疫学机制

王赫,边晓倩,江海涛

(青岛大学附属医院胃肠外科,山东 青岛 266003)

缺血再灌注(I/R)损伤是一种常见的与临床事件相关的具有高发病率和死亡率的创伤。目前学术界普遍认为,缺血并不是导致组织损伤的主要因素,当血液供应得到恢复(再灌注),大量的自由基对细胞造成冲击是I/R损伤发生的主要机制。然而最近有研究表明,白细胞、淋巴细胞、浆细胞等免疫细胞与I/R的发生发展密切相关,再灌注过程中血管炎症的发生发展也与I/R的进展相一致[1]。I/R可以发生于心肌梗死、缺血性卒中、急性肾损伤、创伤、循环骤停、镰状细胞病和睡眠呼吸暂停中,是器官移植、心胸外科、血管外科和普通外科面临的主要挑战。对于I/R的治疗,目前仍然缺乏有效的治疗手段。由于间充质干细胞(MSCs)具有缺乏共刺激分子表达导致的低免疫原性的特点和在体内外分化为多种间充质组织的能力[2],利用MSCs对I/R损伤进行修复已经成为一个研究热点,出现于多种器官(心、脑、肾、肝)损伤后治疗修复研究中。I/R会引起无菌性炎症(肠I/R等少数事件除外)以及细胞免疫和体液免疫的相应反应,故靶向免疫治疗作为一种新兴的治疗理念被提出[3]。本文对MSCs在修复I/R损伤过程中的可能免疫机制进行综述。

1 MSCs概述

MSCs为一种具有克隆性和自我更新能力并可分化为多种细胞系的细胞,它来源于胚泡期的哺乳动物胚胎,并有能力在体内产生任何终末分化的细胞。新生儿的骨髓含有MSCs,它们能够分化成多种间充质组织,如骨、脂肪、软骨和骨髓支持基质。MSCs主要通过直接作用或外泌体介导的旁分泌发挥作用[4]。MSCs取材容易、培养简便、应用前景广阔,还有快速塑性黏附、造血标志物表达缺乏的特点,从而成为干细胞中最受关注的种类之一。MSCs不但具有自我更新和多向分化的双向功能,还具有明显的可塑性,并能分泌多种细胞因子,在医学各个领域都具有极其重要的研究和应用价值。许多研究表明,MSCs对先天性免疫和适应性免疫都有调节作用。

2 细胞免疫与体液免疫概述

狭义的细胞免疫指T细胞介导的免疫应答,本文中的细胞免疫还包括了巨噬细胞的免疫作用。T细胞是参与细胞免疫的主力军,细胞毒性T细胞可以直接杀伤靶细胞,辅助性T细胞(Th)参与体液免疫的开始,抑制性T细胞停止免疫反应,调节性T细胞(Treg)分泌抑制性细胞因子抑制效应T细胞活化增殖效应。T细胞与巨噬细胞的作用途径与多种细胞因子息息相关。体液免疫的重要机制是B细胞增殖分化为浆细胞产生抗体,而这一步骤也需要多种细胞因子的参与激活[5]。

3 MSCs对I/R组织损伤修复的免疫机制

3.1 调节淋巴细胞亚群

缺血和再灌注引起了一种强大的适应性免疫反应,其中包括T淋巴细胞反应。虽然抗原特异性T细胞的种类及其在无菌炎症反应中被激活的机制还不清楚,但是有证据表明,抗原特异性和抗原非依赖性的激活机制都有所贡献[6-7]。MSCs可以通过抑制共刺激分子的表面表达来降低Th1和Th2细胞的活性,直接对T、B细胞的功能作用进行调节[8]。有研究发现,MSCs可在前列腺素E2(PGE2)、吲哚胺2,3-双加氧酶(IDO)和转化生长因子β(TGF-β)的介导下通过直接接触作用对CD4+T细胞进行免疫抑制[9-10]。有动物实验表明,MSCs的治疗作用可能与其对CD8+T细胞的抑制增殖作用以及CD103+树突状细胞的激活介导作用有关[11]。许多研究发现,骨髓间充质干细胞(BMSCs)可以剂量依赖性地抑制T、B细胞的增殖[12-15]。还有研究发现,MSCs能够抑制Th0细胞向Th17细胞分化,在基因水平上倾向于使Th0细胞分化为Th2细胞[16]。Treg细胞在I/R中具有保护作用。MSCs可诱导T细胞中转录因子(Foxp3)上调,从而促进血清或组织中的CD4+CD25+Foxp3+Treg细胞增殖,诱导免疫调节,其减轻I/R损伤的作用在视网膜、心脏、肝脏和肺脏I/R中已经得到研究证实[17-20]。进一步的研究发现,借助某些细胞因子预处理可以通过环氧化物酶2(COX-2)/PGE2通路增加Treg细胞百分比,更能增强MSCs对I/R急性肾损伤小鼠的疗效。近期有研究表明,Treg细胞和MSCs之间的直接交流是基于活性线粒体和质膜片段从MSCs转移到Treg细胞,这个事件与Treg细胞和MSCs供体之间的人类白细胞抗原C(HLA-C)和人类白细胞抗原DRB1(HLA-DRB1)错配负载有关[21]。另有研究发现,人羊膜来源MSCs可通过程序性死亡受体1(PD-1)路径阻止T细胞活化[22]。MSCs不仅能增加Treg细胞的比例,还能维持其活性[23-24]。有研究结果表明,MSCs对T、B淋巴细胞的调节可能是通过对细胞周期蛋白的调节[25-27]。有动物实验研究结果表明,反复应用MSCs治疗过程中无明显不良反应,预示这种治疗有良好前景[28]。

3.2 改变巨噬细胞的免疫表型

巨噬细胞是免疫系统的重要成员。有研究表明,MSCs能够通过诱导巨噬细胞从M1表型向M2表型转化,调节巨噬细胞极化,从而促进愈合过程[29-30]。ABUMAREE等[31]将煎蛋样M1巨噬细胞与MSCs共培养3 d,M1巨噬细胞逐渐转化为纺锤状M2巨噬细胞。这一过程伴随着白细胞介素(IL)-10水平升高,IL-12和IL-1β水平降低,以及巨噬细胞吞噬活性增加。MSCs还可以调节体内巨噬细胞的免疫表型,这已在多种疾病模型中得到证实。例如,MSCs可通过改变M1/M2极化和抑制抗原递呈细胞的浸润来增加角膜移植的成功率[32]。最新研究表明,MSCs通过分泌IL-13而不是IL-4增强巨噬细胞的选择性活化[33]。

3.3 调节细胞免疫/体液免疫相关细胞因子

I/R后接受MSCs治疗,经过48 h,Th1细胞因子下降不明显,IL-6表达明显上调,表明MSCs的免疫调节效应发生在非常早的时间点[34]。目前已有研究试图探寻MSCs对B细胞增殖及产生抗体的影响,得出的结论并不一致[35-37],所以显而易见的是MSCs与B细胞的关系涉及复杂的机制,而且与细胞因子密切相关。在肝脏I/R损伤的情况下,树突状细胞的保护作用取决于它们产生的抗炎细胞因子IL-10,MSCs使组织中IL-10水平升高可能导致TNF-a、IL-6和活性氧水平下降[3]。由于细胞因子的作用是广泛且复杂的,针对MSCs免疫作用机制的细胞因子检测数不胜数,但仍未得到系统确切的结论。许多研究表明,MSCs可以通过升高组织或血清中的IL-10、分泌PGE2来调节细胞免疫与体液免疫,从而减轻I/R免疫损伤[10,38-46],这可能与Treg细胞的增殖有关[47]。吕翠等[48]研究发现,移植IL-10修饰的MSCs对大鼠脑I/R损伤有保护作用。TGF-β1也被证明是参与MSCs的免疫抑制过程中的重要成员[40,49-50]。有研究表明,在再生障碍性贫血病人中,MSCs可以通过下调IL-2、γ-干扰素的表达,上调IL-4、IL-10的表达来调节免疫紊乱[51]。另有研究表明,在试验性自身免疫性脑脊髓炎模型中,MSCs借助其对IL-17的抑制作用可以治疗这种疾病[52]。

3.4 通过外泌体发挥免疫功能

外泌体是已知的免疫调节因子,可以参与细胞免疫与体液免疫的调节[53]。SATO等[54]早在2007年便证明了小鼠MSCs分泌的一氧化氮通过细胞周期阻滞或细胞凋亡直接调节T细胞的免疫抑制反应。近年来,越来越多的研究把研究重点放在了MSCs的外泌体上。WANG等[55]在研究MSCs对心肌I/R损伤的治疗效果时甚至发现,来自MSCs的外泌体拥有比MSCs更好的治疗效果。然而有研究表明,无论预处理如何,MSCs对于呼吸窘迫综合征症状的改善能力总是强于相同数量MSCs产生的外泌体的作用能力[56]。戴华磊[57]通过实验证明,MSCs外泌体可通过调节IL-10、IL-1β这两个免疫相关细胞因子水平来缓解大鼠肝脏I/R损伤。有研究表明,人脐带血MSCs来源的外泌体可以通过miR-1246介导的IL-6-gp130-STAT3轴调节Treg和Th17细胞之间的平衡来缓解肝I/R损伤[58]。有研究发现,来自肾脏的尿干细胞分泌的外泌体的裂解液有调节体液免疫的作用[45]。

3.5 治疗自身免疫性疾病

MSCs的免疫抑制特性在自身免疫性疾病中表现得尤为显著,MSCs修复肠I/R损伤过程中肠黏膜免疫屏障相关指标的改变与MSCs治疗许多自身免疫性疾病观测到的免疫指标的改变类似。有MSCs对自身免疫性脑脊髓炎的治疗效果的研究显示,疾病的预后得到了极大的改善[59]。有研究发现,MSCs可以明显抑制类风湿性关节炎病人活化的T淋巴细胞凋亡,并且能促进B细胞功能成熟,使IgG分泌增加[12],或者通过诱导特异Treg细胞分化增殖阻止T细胞活化[60],从而治疗类风湿性关节炎。有动物实验研究结果表明,BMSCs能够通过降低Th1/Th2表达比值来减少自身免疫性多腺体综合征的发病率[61]。FORBES[62]的研究提示了MSCs治疗克罗恩病的有效性。TAKEDA等[63]还发现了MSCs在治疗过敏性气道炎中的优越性。

3.6 依赖于人表面抗原

胡红林等[64]在肾I/R疾病中进行了进一步的研究,结果表明,MSCs可以通过降低CD4+CD25+Treg的比例来调节免疫从而起到治疗作用。最近有研究结果表明,MSCs可以通过miRNA-125b和miRNA-155通路负向调节原发性Sjögren综合征病人的CD4+T细胞活化[65]。SHENG等[66]在缺乏CD47的MSCs会加重肝组织I/R损伤的基础上进一步证明,CD47是治疗I/R的潜在靶点。也有研究表明,MSCs的修复作用依赖于人表面抗原CD29、CD44[67]。来源于人类脐带的MSCs可通过降低CD4+T细胞上的CD154抗原的表达来缓解肝脏I/R损伤[68]。

4 小结

MSCs的临床前期研究目前已经得到了许多肯定的结果,在临床试验阶段也有许多研究正在进行[69]。近年来,对MSCs机制的研究逐渐深入,由于其机制的多样性与广泛性,MSCs可能对新冠肺炎亦有一定的治疗潜力[70]。已知MSCs主要通过直接作用和旁分泌作用发挥作用,近年来越来越多的研究把重点放在MSCs分泌的外泌体上面[71],带有特定靶点或与其他材料结合的MSCs被证明能在特定的疾病中发挥更好的作用[72]。I/R损伤免疫修复过程是一个复杂的涉及多因素的过程,尽管MSCs修复I/R损伤相关机制研究尤其是免疫机制研究涉及多个方面,但其具体的机制目前仍不是很清楚。因此,更多临床试验或临床前试验对于MSCs进一步的临床应用是必须的,对MSCs治疗免疫相关疾病机制仍需做深入的探讨。