肺常驻间充质干细胞与特发性肺纤维化的相关研究进展

林浩辉，赵振富，蔡飒

(深圳大学医学部，广东 深圳 518061)

间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC)是维持组织内稳态的重要组成部分，具有取代坏死细胞和分泌细胞因子等功能，因此可促进受损组织的修复与愈合[1]。目前不同组织来源的MSC已成功用于严重肺部疾病的临床前研究和临床试验[2]。MSC广泛存在于人体多种组织器官，且被认为起源于血管壁周围[3]。肺常驻间充质干细胞(lung-resident-MSC，LR-MSC)最早由Sabatini等[4]从人正常支气管组织中分离出的成纤维细胞样细胞中获得，且其与骨髓组织中分离获得的MSC具有相似的生物学特性。在特定病理条件下，人体内含有的LR-MSC数量不足以修复肺部的损伤，但在病理条件诱导下，LR-MSC所致的成纤维分化、微血管重构、微环境改变等可促进肺纤维化的发展[5]。特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一种慢性肺纤维化疾病，其发病机制目前尚未明确，且无有效的治疗方法。有研究表明，LR-MSC可促进IPF的发展，但LR-MSC在治疗部分肺部疾病时显示出较骨髓MSC更好的效果，尤其在缓解肺部炎症和损伤方面[6-8]。因此，明确LR-MSC与IPF的关系可以为阐明IPF的发病机制、完善临床治疗提供新的思路和作用靶点。现就LR-MSC与IPF的相关研究进展予以综述。

1 LR-MSC的基本特征

LR-MSC主要存在于肺泡间质血管外膜的血管干细胞微环境中，可通过流式细胞术检测“Hoechst 33342”的染色缺失以及造血细胞表面标志物CD45阴性表达筛选获得。体外细胞培养实验表明，LR-MSC的抗原标记与骨髓MSC类似，包括CD90、CD73、CD105和人类白细胞抗原-1阳性表达，CD14、CD34、CD45、c-kit和人类白细胞抗原-DR阴性表达，且在体外培养中LR-MSC可分化为脂肪细胞、软骨细胞和骨细胞，由于LR-MSC在定位和特征上与血管壁MSC高度相似，且LR-MSC表达“血管壁MSC特异性HOX编码”，因此被认为是一种血管壁MSC[9-10]。血管干细胞微环境作为干细胞和祖细胞的储存库，广泛分布于全身各处，并可释放多种调节因子，同时还是血管生成区的起始部位，在血管的构建和修复中具有决定性作用[11-12]。肺部功能与肺中的微血管数量密切相关，由于LR-MSC的特殊定位，其成为协调肺泡微血管形成、促进组织修复或再生的重要细胞，因此会对肺组织的正常生理活动和肺部疾病的发生发展产生一定影响。

此外，LR-MSC还具有组织特异性，因此较骨髓MSC具有更好的肺部生理调节能力。在体外培养实验中，LR-MSC可分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞，而Wnt/β联蛋白(β-catenin)通路可能是调节LR-MSC分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞的重要信号通路[13]。Hoffman等[7]在细胞静脉移植修复弹性蛋白酶损伤的肺组织中发现，LR-MSC与骨髓MSC对受损组织的修复效果相当，但与骨髓MSC相比，LR-MSC在肺组织中的存活时间更长，同时细胞间黏附分子-1、血小板衍生生长因子(platelet-derived growth factor,PDGF)受体-α和整合素-α2的表达也更高。此外，LR-MSC还具有免疫调节功能，LR-MSC不表达主要组织相容性复合体Ⅱ以及共刺激分子CD80和CD86，并可通过分泌前列腺素E2抑制T淋巴细胞的活性[14]。LR-MSC还可在脂多糖刺激下调节急性呼吸窘迫综合征模型大鼠肿瘤坏死因子-α、单核细胞趋化蛋白-1和白细胞介素-10等细胞因子的产生，进而抑制组织内免疫反应，降低炎症反应，减轻肺组织受损程度[15-16]。

2 IPF的发病机制

IPF是一种慢性炎症性间质性肺纤维化疾病，其病理改变主要表现为成纤维细胞和肌成纤维细胞增多聚积以及大量以胶原蛋白为主的细胞外基质沉积，这些病理改变可导致肺泡结构破坏并形成瘢痕，最终导致正常肺组织结构和功能受损[17]。

IPF的发病机制目前仍未明确，可能是多种因素相互作用的结果，主要包括：①Ⅰ型肺泡上皮细胞损伤可导致Ⅱ型肺泡上皮细胞增生并分化Ⅰ型肺泡上皮细胞，从而填补受损的部分，完成正常的生理修复；②Ⅰ型肺泡上皮细胞广泛损伤且正常的修复机制受干扰，可导致肺泡塌陷，使Ⅱ型肺泡上皮细胞无法进行正常的修复，进而启动异常的修复机制，导致成纤维细胞、肌成纤维细胞、间充质细胞和上皮细胞在促纤维化因子及生长因子(包括白细胞介素-1β、转化生长因子-β、内皮素等)的作用下大量增殖分化，并向受损部位迁移，同时分泌大量的细胞外基质，填补损伤部位[18]；③由于局部组织结构改变，导致原有微循环损伤，进而引起局部微血管的重构[19]。此外，基质金属蛋白酶和组织金属蛋白酶抑制物失衡等也可导致或促进IPF的发生[20]。目前，IPF仍缺乏有效的治疗手段，主要以药物控制治疗为主[21]。

3 LR-MSC与IPF的关系

LR-MSC是组织稳态的重要调节因子，具有抑制炎症和促进修复的功能。由于LR-MSC具有向成纤维细胞、内皮细胞分化的潜能，且可调节免疫、重构微血管、改造局部微环境，在部分慢性肺部疾病的发展中起重要作用。作为一种慢性肺纤维化疾病，IPF的发病过程与LR-MSC的特性密切相关，阐明两者之间的关系对于揭示IPF发病机制具有重要意义。此外，由于MSC具有多向分化潜能和抗炎特性，因此作为肺内的干细胞，LR-MSC可成为外源性输入干细胞治疗IPF的潜在干细胞之一。

3.1LR-MSC参与IPF的发生发展 成纤维细胞的大量累积和微循环的改建是肺纤维化病理发展的关键环节，LR-MSC可在体外分化为肌成纤维细胞、内皮细胞和周细胞，在微循环的改建和组织重构中起重要作用，同时LR-MSC对其所处的周围环境的变化高度敏感，上皮细胞在损伤、炎症细胞浸润中释放的细胞因子可驱动LR-MSC向肌成纤维细胞分化，参与肺纤维化的发展[22]。Marriott等[23]研究发现，人肺纤维化样本中的LR-MSC数量显著增加，并证明ATP结合盒转运蛋白超家族G成员2(ATP-binding cassette superfamily G member 2，ABCG2)蛋白阳性表达的MSC群体是肌成纤维细胞的前体，这些MSC定位于血管周围，因此也可参与肺纤维化微血管重构。而Gaskill等[24]则证实，肺纤维化模型ABCG2蛋白阳性表达的MSC可持续驱动微循环的功能障碍，促进血管的异常重构并逐渐加重肺纤维化。其中，Wnt信号通路、PDGF信号通路和核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信号通路以及相关的微RNA(microRNA，miRNA)等均参与了LR-MSC向肌成纤维细胞转化过程。

3.1.1Wnt信号通路 Wnt及其下游信号通路在MSC的自我更新和分化中起重要作用，而β-catenin是Wnt信号通路的重要调节蛋白，其持续表达可导致细胞大量分裂、增殖[13]。转化生长因子-β是激活Wnt/β-catenin信号通路的重要细胞因子之一，Wnt信号通路异常激活(尤其是Wnt7b和Wnt10a高表达)可诱导IPF组织中的LR-MSC分化为成纤维细胞，在转化生长因子-β作用下，LR-MSC的胶质瘤相关癌基因同源物1(glioma-associated oncogene homolog 1，Gli-1)基因高表达，而抑制Gli-1基因的表达可下调Wnt7b和Wnt10a的表达，从而抑制LR-MSC向肌成纤维细胞分化[25]。此外，M2型巨噬细胞在IPF组织样本中的浸润也可诱导LR-MSC分化为成纤维细胞，而抑制Wnt/β-catenin信号通路的表达可下调转化生长因子-β的表达和M2型巨噬细胞的浸润，从而抑制LR-MSC分化为成纤维细胞，降低肺纤维化程度[26-27]。Cao等[28]研究表明，音猬因子-Wnt信号通路与LR-MSC向成纤维细胞的分化密切相关，当LR-MSC向肌成纤维细胞分化时，Wnt10a高表达和分泌，同时音猬因子信号通路活性增强，而抑制音猬因子-Wnt信号通路则可阻止博来霉素诱导的模型小鼠LR-MSC分化为肌成纤维细胞，并可改善肺纤维化，但该研究并不认为上皮细胞会发生上皮-间充质转化并向成纤维细胞转变形成纤维病灶。综上，Wnt信号通路在LR-MSC增殖、分化和迁移中均发挥重要作用，抑制Wnt信号通路可产生抗纤维化效果。因此，进一步明确Wnt上下游信号通路中基因和蛋白的变化，可以为IPF的治疗提供新思路。

3.1.2PDGF信号通路与NF-κB信号通路 PDGF是一类可显著促进肌成纤维细胞增殖并诱导其向损伤部位聚集的细胞因子。在IPF患者的肺泡组织中，PDGF的两种亚型——PDGF-A和PDGF-B水平均升高，且PDGF-B水平显著高于PDGF-A[29]。同时，在转化生长因子等细胞因子作用下，LR-MSC可通过高表达PDGF受体响应PDGF的升高、促进自身的生长和分化，并通过调节整联蛋白与纤连蛋白的结合在组织受损部位重新分布，而PDGF-B可促进MSC分化为周细胞，参与局部血管重构，进而促进肺纤维化[30-31]。

肿瘤坏死因子-α是一种强大的促纤维化因子，可通过激活NF-κB信号通路促进LR-MSC分化为肌成纤维细胞，同时也可通过上调β-catenin的表达促进LR-MSC向成纤维细胞分化，抑制NK-κB信号通路则可抑制博来霉素诱导的IPF模型LR-MSC向成纤维细胞分化，并伴随β-catenin表达降低，从而达到抑制肺纤维化的目的[32]。

3.1.3相关miRNA 在LR-MSC向成纤维细胞分化过程中，部分miRNA的表达也出现变化，包括miR-152-3p、miR-140-3p、miR-34a-5p等，这些miRNA可下调Krüppel样因子4和生长抑制蛋白家族成员5基因的表达，而Krüppel样因子4和生长抑制蛋白家族成员5可通过调节Wnt/β-catenin信号通路达到调控LR-MSC增殖、分化和迁移的目的[33]。在LR-MSC向肌成纤维细胞分化过程中miR-497-5p表达显著上调，而其靶基因kazal模体可抑制基质金属蛋白酶-2和基质金属蛋白酶-9的表达，从而激活转化生长因子-β[34]。此外，部分miRNA也可抑制LR-MSC的分化，如miR-877-3p可通过Smad7信号通路调节转化生长因子-β的表达，而Smad7信号通路是一种抑制性信号通路[35]。核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3也可诱导LR-MSC分化为成纤维细胞，抑制核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎症小体可促进Wnt通路拮抗因子Dkk-1(Dickkopf-1)的表达，而敲除LR-MSC中的Dkk-1受体可导致肺组织胶原沉积、肺纤维化程度增加[36-37]。

3.2利用LR-MSC治疗IPF的相关研究 由于IPF具有慢性、进行性、不可逆性等特征，目前尚无有效治疗手段。干细胞疗法作为一种新兴治疗方法，通过直接分化替代受损组织或分泌外泌体等方式达到治疗IPF的目的[38]。目前临床多以骨髓MSC或脂肪MSC作为治疗细胞，用于疾病(包括肺部疾病)的治疗。MSC因具有良好的可塑性、抗炎、低免疫反应性、旁分泌等特征而成为治疗IPF的良好选择。临床试验表明，接受不同来源MSC治疗的IPF患者均出现不同程度的临床症状减轻、肺内炎症反应降低、肺功能恢复和血流动力学改善等，同时不良反应少且轻微[39]。而LR-MSC作为一种存在于肺内的干细胞，是肺部组织中的一个独特群体，与骨髓MSC在表型和基因表达方面均存在显著差异[40]，在治疗肺部疾病中较骨髓MSC具有更好的归巢特性和疗效，因此，LR-MSC可能成为治疗IPF的更好选择，但目前的研究仍处于实验阶段，同时LR-MSC与其他MSC之间的具体生物学差异、生物安全性、合理的获取途径、输送途径、输送剂量等问题也均有待解决。

由于LR-MSC可促进IPF的发展，抑制LR-MSC向成纤维细胞分化也是治疗IPF的途径之一。临床除了利用药物阻断LR-MSC向成纤维细胞分化的相关通路外，还可以LR-MSC为靶点，利用被前列腺素修饰的聚乙烯亚胺胶束向LR-MSC输送可抑制其向成纤维细胞分化的干扰小RNA达到治疗肺纤维化的目的[41]。

4 小 结

LR-MSC是维持肺组织正常生理功能的重要细胞，在特定的病理条件下，LR-MSC可向成纤维细胞分化，其分化的产生与Wnt、PDGF、NF-κB等信号通路和多种miRNA相关，并最终引发IPF，因此靶向LR-MSC与纤维化相关的信号通路、基因等治疗可能成为治疗IPF的新途径。同时，外源性输入MSC治疗IPF的临床试验也正在开展，而LR-MSC作为存在于肺组织的正常细胞，修复肺部损伤的能力更强，因此将成为干细胞治疗IPF的重要候选。但目前关于LR-MSC与IPF的相关研究较少，未来仍需进一步探讨LR-MSC发生成纤维分化的具体机制并开展相关的干细胞治疗实验，从而为IPF的治疗提供新思路。