间充质干细胞及其外泌体修复电离辐射损伤的研究进展

程远航 陈津 吴卫真

随着X 射线成像，计算机断层扫描和核医学的应用，现代医学高速发展，电离辐射在现代社会中起着重要的作用[1]。但在利用电离辐射惠及成果的同时也避免不了电离辐射带来的危害。虽然近年来研究了很多治疗辐射损伤的药物，在减轻辐射损伤方面起到了一定的作用，但应用和疗效却很有限[2]。间充质干细胞 （mesenchymal stem cell，MSC）具有调节炎症、抑制细胞凋亡、促进血管生成以及支持局部干细胞和祖细胞生长和分化的能力，因此在治疗组织辐射损伤中具有巨大潜力[3]。越来越多人发现，MSC 主要通过旁分泌的因子发挥作用。MSC 外泌体是MSC 分泌的胞外膜微囊，可以携带MSC 的活性分子如小分子蛋白和miRNA 等发挥作用[4]。因此，本文将重点从电离辐射的生物学效应、MSC 和外泌体的生物学功能以及其在电离辐射损伤修复的最新研究进展进行综述。

一、电离辐射的生物学效应

电离辐射生物效应指的是机体受到电离辐射后，机体的生物大分子、细胞、组织和器官因能量传递所导致的形态、结构和功能的改变[5]。电离辐射分为直接和间接辐射。直接辐射是辐射释放的能量直接或间接破坏原子键；间接电离辐射则是源于水的解离产生自由基，从而导致原子键的断裂和其他破坏。因此，电离辐射不仅可直接导致DNA 损伤，也可通过产生活性氧 （reactive oxygen species，ROS）和自由基导致DNA、蛋白质及脂质的损伤。而这些损伤可导致组织细胞凋亡、坏死、致畸或致癌等，更有甚者直接导致死亡，严重影响人体健康[6-7]。电离辐射在细胞中的主要靶标是DNA，其损伤可能是单链DNA 或双链DNA 断裂，而后者更难修复。双链DNA 断裂通常会导致细胞死亡，是电离辐射最严重损伤之一[8]。DNA 双链断裂会导致染色体断裂或重排，诱发突变或遗传信息的改变。哺乳动物细胞通过激活参与信号转导和DNA 修复途径的多种蛋白质来响应DNA 双键断裂[9]。尽管大多数的损伤都能得到有效的修复，但DNA 双链断裂会导致基因组的完整性降低，影响细胞存活，甚至导致细胞死亡，从而威胁哺乳动物的生命健康[10]。

电离辐射还可以通过阻止或延迟染色体的复制来改变细胞周期。电离辐射产生的ROS 可影响细胞周期，低浓度的ROS 抑制细胞周期中G1 期的氧化酶，而高浓度的ROS 可使细胞周期阻滞在G1、G2、S 和M 期[11]。细胞通常会检测到这些异常，然后通过凋亡使细胞自杀。细胞凋亡引起的细胞死亡并不伴随炎症过程，而有丝分裂死亡和坏死与炎症反应有关。其结果通常会导致在辐射下的机体发生全身性炎症反应综合征或多器官功能障碍，甚至死亡[12]。

因此，电离辐射不但直接造成生物膜结构的破坏、DNA单链或双链断裂、蛋白酶的失活等生物大分子的损伤，而且还会产生一系列的细胞因子引起氧化应激和炎症反应，激活细胞凋亡自噬等信号通路，甚至会导致细胞的癌变。

二、MSC 及其外泌体的生物学功能

MSC 是具有自我更新功能的多能祖细胞，可以从多种生物组织中分离出来[13]。MSC 因其来源广泛和具有多系分化潜能，目前已广泛应用于临床研究[14]。MSC 还具有响应环境信号迁移到受损部位的能力、抑制免疫系统、促进细胞活性或诱导血管生成的功能，并且能通过旁分泌作用，分泌细胞因子和炎症介质等调节炎症、促进组织修复[15-18]。

MSC 外泌体是一种由MSC 分泌的具有生物学功能的膜性小囊泡，其直径大小约30 ～ 150 nm[19-20]。外泌体由多囊泡体与质膜融合形成或直接从质膜释放[21-22]，最初被认为是细胞排出的垃圾成分，但随着研究的深入，可知外泌体囊泡中富含蛋白质[23]、mRNA 和microRNA 等成分[24-25]，这些成分可参与调节或介导细胞间重要的通讯功能，参与多种生理或病理过程，包括抗原呈递、RNA 运输和组织修复等。

其中MSC 及其外泌体在电离辐射损伤修复中主要通过调节炎症反应和免疫反应来改善受损细胞周围微环境[26-27]，促进受损细胞的修复。另外MSC 外泌体中miRNA 可靶向相关损伤因子和炎症因子[28]，通过激活相关信号通路，来调节炎症反应或辐射所致DNA 双链断裂的修复[29-30]，从而促进受损细胞的存活或残存细胞的增殖，达到辐射损伤修复的作用。

三、MSC 及其外泌体在电离辐射损伤中的应用

1.MSC 对辐射性肠损伤修复的研究：辐射诱发的肠病常在接受盆腹腔放疗的癌症患者和意外暴露于辐射的个体中诱发。辐射性肠病主要包括肠缺血、黏膜炎、溃疡、坏死甚至穿孔等难治性病变，这些疾病不仅严重影响患者的生活质量，在某些情况下也可危及生命[31]。在最新研究中，小鼠骨髓MSC 及其外泌体在修复肠道辐射损伤的主要益处在于其抗炎作用、促进新生血管形成和修复上皮细胞完整性等[32-33]。动物实验表明，MSC 可提高腹部辐射后小鼠的存活率，促进辐射诱导后小肠损伤的修复作用，激活小鼠小肠中Wnt/β-catenin 信号通路来促进小肠上皮细胞的增殖[34-35]。

2.MSC 对辐射性肝损伤修复的研究：肝脏也是一个对辐射敏感的器官，容易受到辐射损伤。在肝癌的放射治疗中会导致放射性肝损伤，这也可能是一个威胁生命的因素[36]。目前治疗辐射损伤的方法依赖于不同药物的抗氧化和抗炎能力，以及它们灭活ROS 的能力。干细胞移植等新治疗策略作为肝病再生医学的一种很有前途的方法已经引起了人们的极大兴趣[37]。干细胞治疗肝病患者的试验已经开始，但仍处于早期研究阶段。部分研究结果表明，脂肪MSC 可向受损组织部位迁移，通过释放不同的生长因子和细胞因子，发挥免疫调节、抗炎、促血管生成和抗凋亡的作用，恢复肝细胞数量，支持肝细胞的再生和自我更新，从而增强肝功能来纠正辐射性诱发的肝功能不全[38-40]。

3.MSC 对辐射性皮肤损伤修复的研究：辐射性皮炎常是由于皮肤和黏膜暴露于辐射下引起的，辐射导致的皮肤坏死性溃疡，其特点是长期反复发作并伴随剧烈疼痛，通常需要很长时间才能愈合，长时间也可发展为癌症，给患者带来了极大的身心痛苦[41]。越来越多研究表明MSC 及其外泌体在恢复皮肤辐射损伤方面表现出巨大潜力。据报道，骨髓MSC 在皮肤修复和再生中具有重要作用，不仅可以促进细胞增殖，还可以通过旁分泌系统分泌各种生长因子和趋化因子，包括血管生成素、人单核细胞趋化蛋白-1、白细胞介素-8、胰岛素生长因子和转化因子等。这些因子可减少炎症反应和促进血管生成，从而改善辐射后损伤皮肤的局部微环境，极大的提高了损伤皮肤愈合的速度和质量[42]。

4.MSC 及其外泌体对造血系统辐射损伤修复的研究：造血干细胞的细胞凋亡和增殖对于维持造血系统稳态至关重要，但由于其对辐射敏感，暴露于辐射会导致DNA 损伤和细胞凋亡，进而导致骨髓衰竭[43]。动物研究表明，人骨髓MSC 及其外泌体能在体内和体外挽救小鼠骨髓造血系统的辐射损伤[44]。向暴露于500 cGy 的小鼠静脉注射MSC 及其外泌体可恢复部分外周血细胞计数和骨髓功能，鼠造血细胞系FDC-P1 暴露于500 cGy 后，在小鼠骨髓或人骨髓MSC 外泌体干预下，FDC-P1 细胞显示出生长抑制、DNA 损伤和细胞凋亡的逆转。鼠类和人类MSC 外泌体均可逆转辐射对鼠类骨髓细胞的损害，并刺激鼠类正常的骨髓干/祖细胞增殖。

5.MSC 及其外泌体对辐射性肺损伤修复的研究：当X射线照射肺组织时，辐射会直接或间接损伤细胞。一旦辐射所致的损伤超出人体固有的修复能力，就会发生辐射诱发的肺损伤。放射性肺损伤可分为放射性肺炎和放射性肺纤维化2 个阶段[45]。研究表明辐射性肺损伤主要是电离辐射引起上皮细胞和内皮细胞的损害，导致血气屏障功能障碍，进一步激活肺泡巨噬细胞并上调转化因子、肿瘤坏死因子-α、IL- 1β、IL-6 和IL-12 等，而人体的免疫反应可以放大这一过程，从而增加局部炎症反应并引起间质性肺炎的发展，慢性炎症的持续最终导致肺纤维化[46]。研究表明，将人脐带血来源的MSC 与放射肺活检标本共培养，MSC 会迁移至辐射损伤的部位修复受损的肺组织，促进正常肺组织的增殖，以完成正常的细胞功能，同时MSC 通过产生抗氧化酶来降低氧化应激和ROS 水平，从而保护肺免受辐射引起的内皮损伤[47]。

MSC 在静脉注射后，只有少量的MSC 到达肺辐射损伤部位，而这些细胞中也只有一小部分可以整合到组织中并在短时间内发挥其功能，因而MSC 旁分泌作用备受关注。据报道，在辐射性肺损伤中，MSC 外泌体中高丰度的miRNA可防止损伤组织的炎症和纤维化活动。例如：miRNA-181C可以通过靶向TLR4/p65 蛋白信号通路来降低IL-1β 和TNF- α 的表达，另外还有很多miRNA 可以与辐射所致的损伤相关因子和炎症因子靶向，因此，MSC 外泌体释放的miRNA 在辐射性肺损伤治疗中存在巨大的潜力[48]。但目前MSC 及其外泌体用于放射性肺炎治疗中有一定效果，但在放射性肺纤维化中收效甚微，因此MSC 在动物和临床实验中还有很长的路要走[49]。

总的来说，电离辐射对组织或器官损伤的机制相当复杂，绝不仅仅是单一的一种。自二十一世纪以来，对电离辐射损伤的研究更加深入。研究发现电离辐射不仅可直接造成生物的膜结构破坏，DNA 单链或双链断裂，蛋白酶的失活等生物大分子的损伤，还会产生一系列的ROS，引起氧化应激和炎症反应、激活细胞凋亡等信号通路，从而导致细胞损伤或死亡。尽管在辐射损伤修复的药物研究方面投入很大，但能应用于临床且效果良好的药物却不多，而MSC 因其分化潜能和促进组织修复等功能，目前已广泛应用于电离辐射损伤修复，并且在促进损伤修复方面起到很不错的效果，被认为是安全可行的治疗方案。但MSC 移植治疗仍存在潜在的风险，例如免疫介导排斥、医源性肿瘤形成和输注毒性等，进而一种无细胞治疗的方式开始进入研究领域。MSC 外泌体内包含细胞因子、生长因子、特异性蛋白、mRNA 和调节性miRNA。由于他们的体积小、毒性小、靶标特异性好以及能被人体所耐受，因此外泌体可视为细胞信号传递的载体。此外，与MSC 相比，外泌体可以大规模提取，更易于处理，也不存在伦理学的问题。外泌体的生物学研究一直处于发展的初期，为了外泌体更安全有效地应用于治疗，需要付出更多的努力。MSC 外泌体在电离辐射损伤修复中的应用前景巨大，尽管MSC 外泌体在电离辐射损伤修复中的研究才刚刚开始，其生物学特性以及其在各器官中具体的修复机制也尚不完全清楚，但就目前的研究成果而言，MSC 外泌体有机会成为治疗电离辐射损伤新的治疗策略，成为临床上治疗电离辐射损伤的方法之一。