基于间充质干细胞的矽肺治疗研究现状

刘浪，贺瑶瑶，田青，周东海

贵州省疾病预防控制中心公共卫生监测评价研究所，贵州 贵阳 550000

尘肺病是在职业活动中长期吸入生产性粉尘并在肺内沉积而引起的以肺组织弥漫性纤维化为主的一组职业性肺部疾病。按照致病粉尘成分的不同，其可以分为矽肺、煤工尘肺、石墨尘肺、炭黑尘肺、石棉肺等。根据国家卫生健康委数据统计，2019年全国累计报告新增职业病19 428例，其中尘肺病占全部新增病例的81.8%，占绝大多数，而其中又以矽肺和煤工尘肺为主。我国的职业性尘肺病防治形势不容乐观。矽肺是长期吸入大量含游离二氧化硅的粉尘而导致的尘肺病，其发病率和病死率在所有尘肺病中均是最高的［1］。矽肺目前尚缺少有效的治疗手段，现有的药物治疗方法仅在减轻患者症状方面发挥一定作用，且效果不尽人意。肺移植作为终末期肺病治疗手段之一，能够有效改善患者健康状况和肺功能，然而供体的缺乏和高昂的治疗费用决定了肺移植不可能成为广泛推行的治疗方法，强烈的免疫排斥也会让患者终身无法摆脱免疫抑制药物。因此探索一种新的矽肺治疗方法显得尤为重要。

间充质干细胞（mesenchymal stem cells）是一类来源于早期胚胎中层，具有多向分化潜能和自我复制能力的细胞，其可以在特定的条件下定向分化为特定的组织、细胞，直接参与组织修复。此外，间充质干细胞还能通过分泌多种细胞因子发挥作用，如促进细胞增殖、抑制细胞凋亡、免疫功能调节等。在多种疾病的治疗研究中，干细胞疗法均受到广泛的关注。间充质干细胞在治疗矽肺方面也得到了众多研究人员的重视，并进行了大量的实验研究。动物实验研究结果表明，在矽肺模型中，间充质干细胞治疗能够有效地减轻肺部炎性反应，降低矽肺纤维化程度，延缓矽肺病程，明显改善肺功能。本文将对间充质干细胞在矽肺治疗中的运用研究现状进行综述。

1 矽尘对肺组织的损伤机制

矽尘对肺组织的损伤机制主要包括：①直接细胞毒性作用。粒径在5 μm以下的矽尘能够突破气道的纤毛黏液防御系统抵达呼吸道深部，对肺组织造成损伤。二氧化硅的压电性使其在受力时能够形成电极性，具备了直接损伤细胞的能力。其通过与局部细胞接触相互作用，使细胞膜发生脂质过氧化反应而破坏细胞的膜结构，进而导致细胞损伤。同时其能够直接与水发生作用，产生羟自由基，损伤质膜，释放溶酶体，引发组织损伤［2］。②氧化应激。适量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）能够调节细胞的生理功能，如细胞的存活和细胞衰老［3］。过量的ROS却能够导致氧化应激损伤的发生［4］。当矽尘微粒进入肺泡组织后，会被肺泡巨噬细胞摄取并与之相互作用，生成诱导型一氧化氮合酶，进而生成大量的ROS和活性氮，对肺组织细胞造成损伤［5］。③大量炎性因子和成纤维相关细胞因子的产生。氧化应激能够激活转录相关因子如核因子（nuclear factor，NF）-κB和激活蛋白（active protein，AP）-1，转录因子进入细胞核后参与到炎性和纤维形成相关的转录和翻译过程，产生多种细胞因子，募集多核细胞及单核细胞聚集在矽尘颗粒周围，形成肉芽组织［6］。在二氧化硅颗粒的作用下，巨噬细胞和肺上皮细胞产生大量的肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白介素（interleukin，IL）-1α、IL-1β、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）-β等细胞因子［7］。TNF-α能够募集成纤维细胞并促进其增殖，IL-1α及IL-1β、TGF-β等细胞因子能够激活成纤维细胞，在局部产生并沉积大量的胶原蛋白和弹性蛋白，重塑肺组织构造［2，8］。④细胞凋亡。二氧化硅颗粒能导致线粒体膜电位丧失、线粒体功能紊乱、死亡受体及其配体的表达增加，激活半胱天冬酶（cysteinyl aspartate-specific proteinase，Caspase）3及Caspase9等凋亡相关蛋白，引发细胞凋亡。

2 间充质干细胞在矽肺治疗中的作用

2.1 抑制炎症因子

炎症在矽肺发生发展过程中起着至关重要的作用。持续的炎症反应和形成的肉芽组织能够引发肺组织的重构，进而影响肺功能［9］，因此炎症调节成为矽肺治疗的有效靶点之一。动物模型中，空白对照组肺组织病理学检查无炎性渗出，而二氧化硅模型组能够检测到明显的炎性细胞浸润。模型组通过尾静脉注射脐带来源间充质干细胞（umbilical cord mesenchymal stem cells，UC-MSCs）治疗，能够有效地降低模型组的炎性细胞浸润和炎性相关细胞因子水平，提示UC-MSCs移植能有效地降低肺部的炎症水平，进而减少纤维化［10］。上述研究结果也在其他同类研究中得到证实［11］。这说明抑制炎症是间充质干细胞发挥治疗作用的机制之一。

2.2 减少纤维化相关细胞因子的分泌

纤维化是矽肺发展中的一个重要病理过程。成纤维细胞的激活、肺局部大量胶原蛋白和弹性蛋白沉积是发生纤维化的基础，减少纤维化相关细胞因子的水平是有效抑制纤维化的方法。IL-1α、IL-1β、TNF-α、TGF-β等细胞因子具有强力的成纤维细胞激活能力，能够强力地激活成纤维细胞。矽肺模型予以骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）移植能够有效地降低肺组织中羟脯氨酸的水平，减轻肺组织的纤维化，降低肺组织中纤维化相关细胞因子如TGF-β、IL-1β、基质金属蛋白酶2、TNF-α、干扰素-γ等的水平［12-13］。为了探究间充质干细胞通过何种方式发挥作用，Li等［14］通过共培养的方法从体外探索BMSCs发挥作用的可能机制，结果表明BMSCs抗纤维化作用的发挥可能与旁分泌机制有关。IL-1受体拮抗剂通过旁分泌机制从BMSCs中释放，抑制IL-1和TNF-α的产生和活性［15］。赵曼曼等［16］研究发现，不同细胞移植剂量组均有降低肺组织纤维化水平的作用，但不同剂量组之间疗效存在差异，说明了BMSCs对纤维化的抑制效果和移植细胞数目之间存在剂量-效应关系。

2.3 抑制细胞凋亡

氧化应激和二氧化硅粉尘粒子的直接作用均能够导致线粒体膜电位丧失，引发线粒体功能紊乱，进而导致细胞凋亡［17］。凋亡细胞通过释放炎性相关细胞因子又进一步招募炎性细胞到局部，加重炎性反应，加快肺纤维化进程。另外，矽尘颗粒进入肺组织后，多数被肺巨噬细胞摄取，减少了肺实质受到的损伤。当肺巨噬细胞发生凋亡时，其摄取的矽尘颗粒又会重新释放到细胞外，再次对肺组织造成损伤［7］。因此，抑制细胞凋亡能够有效地延缓矽肺发展的进程。研究表明，矽肺模型动物肺组织TUNEL染色阳性区域相较于空白对照组明显增加，凋亡相关蛋白表达水平也会显著上升，表明矽尘颗粒能够明显地诱发细胞凋亡。通过脂肪间充质干细胞（adipose-derived mesenchymal stem cells，ADSCs）移植能够明显减少肺组织中TUNEL阳性的细胞数目［11］，降低凋亡相关蛋白的表达水平［18］。上述研究结果表明ADSCs移植对细胞的凋亡具有明显的抑制作用，该机制是ADSCs降低肺部损伤的机制之一。

2.4 抑制内皮-间质转化（endothelial mesenchymal transition，EMT）

EMT是上皮细胞逐渐获得间质细胞（成纤维样细胞）表型的过程［19］。EMT在胚胎发育、组织修复、癌症的演化等过程中均发挥了重要作用［20-21］，其在器官纤维化进程中的作用也被证实［22］。多项研究表明，矽尘颗粒能够刺激肺组织中的巨噬细胞和上皮细胞，促使其释放大量的活性氧物质和细胞因子，引发EMT、成纤维细胞增殖、细胞外基质沉积等过程［9，23-24］。EMT与矽肺纤维化的关联在体内和体外实验中均得到证实［25-26］。Jiang等［27］研究发现BMSCs能够靶向诱导Ⅱ型肺上皮细胞发生EMT并具有逆转肺纤维化潜能。Zhang等［28］研究发现，BMSCs能够有效抑制Ⅱ型肺上皮细胞的上皮间质转化，且BMSCs处理组Wnt/β-catenin信号通路相关蛋白表达水平相较于对照组降低。这表明BMSCs抑制上皮间质转化的作用可能是通过抑制Wnt/β-catenin信号通路来实现的。

2.5 调节自噬

自噬是大多数真核细胞中进行的正常生物学过程，是一个以溶酶体介导的细胞内物质和能量循环的过程。适当的自噬水平有利于细胞生存，提升细胞抵抗凋亡和死亡的能力，然而过度的自噬水平则会诱发细胞程序性死亡。以往研究报道显示，矽肺模型中肺泡巨噬细胞（alveolar macrophages，AMs）的自噬水平会明显增高，且随着矽肺期别的增加呈上升趋势［29］。在矽肺进展过程中AMs的自噬水平和肺组织损伤程度呈正比［30］，降低AMs的自噬水平能够明显地降低肺组织的纤维化。间充质干细胞治疗能够有效地减轻AMs的病理状况。Zhu等［31］通过对模型组小鼠给予BMSCs治疗后，检测AMs中的LC-3和Beclin-1的表达水平，研究显示LC-3和Beclin-1相较于对照组明显降低，且纤维化程度也明显低于对照组，提示矽尘能够明显增强AMs的自噬水平，而BMSCs移植可有效抑制AMs自噬的激活，缓解矽肺的病理进程。上述结果说明了调节AMs自噬水平也是BMSCs在矽肺治疗中发挥作用的机制之一。

2.6 其他

陈志军等［32］的研究结果显示，BMSCs延缓纤维化进程可能是通过上调Tregs水平实现的。间充质干细胞具有多向分化的潜能，能够在特定条件下定向分化为特定的组织细胞。在矽肺的发展过程中，MSCs是否也通过其分化能力发挥了一定的治疗作用？燕玲等［33］通过免疫荧光双标性别决定基因（sex-determining region on Y，SRY）和肺表面活性物质相关蛋白（pulmonary surfactant associated protein，SP）-C探究BMSCs是否能够通过分化直接参与肺组织损伤修复，结果显示雄性大鼠BMSCs进入受体雌性模型鼠肺组织后，同时检测到了SRY和SP-C阳性信号，说明BMSCs能够定向分化成为Ⅱ型肺泡上皮细胞，细胞分化可能是其在矽肺中发挥治疗作用的机制之一。旁分泌作用是间充质干细胞发挥功能的主要方式，研究者通过获取间充质干细胞外泌体替代间充质干细胞进行矽肺治疗的实验研究，结果显示单纯的外泌体治疗能够获得和间充质干细胞移植治疗相似的作用效果，如抑制炎症、抑制纤维化、抑制EMT的进展等［34］。这进一步明确外泌体是间充质干细胞发挥功能的途径之一。

3 讨论与展望

干细胞治疗拥有安全、细胞来源丰富、无免疫排斥、适用范围广等优势，因此在多种疾病的治疗中受到广泛关注。干细胞治疗方法的兴起为矽肺的治疗提供了方向。现有间充质干细胞在矽肺治疗领域研究报道较多，干细胞发挥作用的机制也越来越清晰。间充质干细胞在矽肺治疗中主要通过减少有害的炎症反应、抑制纤维化、减少细胞凋亡、抑制肺巨噬细胞自噬、增强损伤后修复等方面发挥作用。这些有益的作用可能是通过旁分泌作用发挥的［15，35］。间充质干细胞是否通过分化功能发挥治疗作用，现有的研究证据还较少。在矽肺早期（1 d）和中期（14 d）移植治疗病理改变较矽肺模型组有明显缓解，在矽肺晚期（28 d）移植治疗效果不明显［36］。随着研究的不断深入，干细胞生物学的策略结合其他学科的联合治疗方法将会是未来的研究趋势之一，如通过与基因工程的方法相结合，采用慢病毒介导修饰BMSCs，过表达骨形态发生蛋白-7基因，能够获得比单纯运用BMSCs治疗更显著的效果［37］。在现有的研究报道中，人体试验报道较少。间充质干细胞移植治疗对矽肺患者咳嗽、胸闷症状有较好的改善作用，胸部CT、高千伏X线胸片结果显示好转，肺功能有所改善，显示出了较好的治疗前景［38-39］。目前多数研究仅仅是停留在动物实验研究上，缺乏较为有力的临床证据，其临床有效性和安全性等仍然需要大量的临床实验数据做支撑。间充质干细胞治疗在矽肺方面的应用前景广阔，细胞治疗作为矽肺治疗的可能方案，具有非常大的潜在应用价值。