间充质干细胞治疗急性呼吸窘迫综合征的相关机制及研究进展

任洁 郑洋

急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)作为常见的呼吸系统重症疾病,是指由各种肺内和肺外致病因素所导致的急性弥漫性肺损伤和进而发展的急性呼吸衰竭［1］,临床表现为呼吸窘迫和难治性低氧血症,肺部影像学可见不能用积液、肺不张或结节来完全解释的双侧浸润影［2］。急性呼吸窘迫综合征的临床症状严重且治疗方法相对较少,因此目前病死率仍然很高,约为35%～46%［3］。而间充质干细胞具有沿不同谱系分化的能力,具有特殊的治疗潜能,可作为治疗急性呼吸窘迫综合征所致肺损伤的方案之一。

1 急性呼吸窘迫综合征的形成机制

急性呼吸窘迫综合征的本质是多种炎症细胞(巨噬细胞、中性粒细胞、血管内皮细胞、血小板)及其释放的炎症介质(如弹性蛋白酶、组织蛋白酶、胶原酶、明胶酶等)和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-8(interleukin-8,IL-8)和白三烯(leukotrienes,LTs)等细胞因子间接介导的肺脏炎症反应［1］。此外肺泡上皮细胞和肺微血管内皮细胞凋亡增加,炎症细胞凋亡延迟；凝血/纤溶系统失衡,局部凝血亢进；氧自由基过度产生引起氧化应激状态；肺泡液体清除异常等机制［4］相互影响,最终引起靶细胞损害,表现为肺毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞损伤,肺微血管通透性增高和微血栓形成,肺泡腔渗出富含蛋白质的液体,进而导致肺水肿和透明膜形成。

2 间充质干细胞

间充质干细胞是从多种生物组织(成人骨髓和脂肪组织以及新生儿组织(如脐带和胎盘)中分离出来的。在体外,间充质干细胞表现出广泛的增殖能力和多能性的生物学特征［5］。许多研究显示,间充质干细胞能够分化为其他中胚层起源的细胞类型,包括成骨细胞、脂肪细胞、成纤维细胞、心肌细胞和软骨细胞［6］。这种分化潜力为间充质干细胞在组织损伤中的应用提供了条件［7］。国际细胞治疗学会(ISCT)与组织干细胞委员会定义了人类间充质干细胞的最低标准：①在标准培养条件下间充质干细胞具有塑料粘附性；②间充质干细胞必须表达糖类抗原(CD)105、CD73 和CD90,并且缺乏CD45、CD34、CD14 或CD11b、CD79α 或CD19 和人类白细胞DR 抗原(HLA-DR)表面分子的表达；③间充质干细胞必须具备在体外分化为成骨细胞、脂肪细胞和软骨成形细胞的能力［8］。

3 间充质干细胞治疗急性呼吸窘迫综合征的机制

间充质干细胞的治疗潜力具有独特性,主要包括以下方面：有迁移到损伤部位的能力,能分泌致使细胞死亡或存活以及调节免疫反应所需的可溶性因子,有分化成几种细胞谱系的能力,具有低免疫原性,以及它们的分离和培养较为简单［9］。

3.1间充质干细胞的归巢与分化 众所周知,静脉输注间充质干细胞会在肺部积聚［10］,而间充质干细胞可以分化成上皮样细胞以取代受损组织［11］,这对肺部疾病治疗有很大益处。Ortiz 等［12］的实验发现,用间充质干细胞治疗博莱霉素(BLM)造模的肺损伤小鼠,它们会归巢于肺部,减少肺组织中的炎症和胶原沉积。同时,间充质干细胞在体内和体外能分化为Ⅱ型肺泡上皮(ATⅡ)细胞,这对于急性呼吸窘迫综合征的再上皮化和恢复至关重要［13］。

3.2间充质干细胞的免疫调节 间充质干细胞可以通过调节嗜中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞、树突状细胞(DC)、T 细胞、B 细胞和自然杀伤(NK)细胞的活性来影响先天性和适应性免疫［14］。例如：中性粒细胞杀菌主要通过两种方式：一种是直接吞噬病原体；另一种是中性粒细胞坏死或者凋亡后会形成一种特殊的结构,称为中性粒细胞胞外杀菌网络(NETs)。Pedrazza等［15］的研究发现间充质干细胞治疗能够调节肺部炎症,减少氧化损伤,减少NETs 的形成,从而降低对肺组织造成的损害。

3.3间充质干细胞增强肺损伤的修复 间充质干细胞可以分泌多种生长因子,包括肝细胞生长因子(HGF)、角质形成细胞生长因子(KGF)和血管内皮生长因子(VEGF),它们通过减少胶原积累和纤维化,在肺损伤的组织再生中起重要作用［16］。HGF 和VEGF 还可以恢复肺毛细血管通透性并稳定肺内皮屏障［17］。

3.4MSC-EVs 越来越多的证据表明,基于间充质干细胞的免疫抑制主要归因于MSC-EVs 的影响。MSCEVs 富含间充质干细胞来源的生物活性分子［信使核糖核酸(mRNA),微小核糖核酸(microRNA,miRNA)、细胞因子、趋化因子、免疫调节因子］,可调节免疫细胞的表型、功能和归巢［18］。

MSC-EVs 可保护肺上皮细胞免受肺浸润性中性粒细胞和单核细胞释放的反应性氧化物质和蛋白水解酶的影响［19］。同时,MSC-EVs 被证实是α-1-抗胰蛋白酶(α-1-AT)的天然载体,能够促进其在体内的稳定性和活性,并且在间充质干细胞中,编码α-1-AT的基因的表达通过化学刺激［白细胞介素-1β(IL-1β)和(或)地塞米松(DEX)］的存在而增加［20］,而α-1-AT 是肺部主要的弹性蛋白酶抑制剂,其可保护肺上皮细胞,并在肺部发挥重要的抗炎和免疫调节作用［21,22］。

MSC-EVs 除α-1-AT 外,还含有46 种参与对革兰阴性菌反应的蛋白质,这意味着MSC-EVs 具有强大的抗菌活性［20］。Hao 等［23］证明MSC-EVs 的施用显著降低了小鼠细菌性肺炎的严重程度,这可能与MSVEVs 通过促进白三烯B4(LTB4)的合成,增加了肺浸润性粒细胞和单核细胞的吞噬细胞和抗微生物活性有关。

4 间充质干细胞治疗急性呼吸窘迫综合征

尽管相关治疗机制尚未完全明确,目前展开的多项实验证明了间充质干细胞治疗急性呼吸窘迫综合征的可行性和安全性。冯芳等［24］的实验通过大鼠模型证实了脂肪间充质干细胞可有效降低急性呼吸窘迫综合征的炎症水平,改善肺损伤；刘薇薇等［25］通过对13 例急性百草枯中毒致肺损伤患者加用脐带间充质干细胞治疗与否的疗效对比发现,间充质干细胞治疗显著降低了急性肺损伤患者的死亡率,且未出现不良反应。Wilson 等［26］的试验通过对9 例急性呼吸窘迫综合征患者静脉注射不同剂量的间充质干细胞治疗,表明了静脉注射间充质干细胞疗法的耐受性和短期安全性。另外,间充质干细胞治疗还能促进多器官衰竭的消退或增加无器官衰竭的天数［27］。

COVID-19 感染后,免疫系统被过度激活时会生成大量的炎症因子,导致严重的细胞因子风暴,引起急性肺损伤,重症可发展为急性呼吸窘迫综合征,最终导致患者死亡［28］。而Qu 等［29］对34 项实验包含736 例患者的荟萃分析发现,接受间充质干细胞移植治疗后,多数重症患者的症状得到了缓解,表明间充质干细胞移植治疗COVID-19 是可行的,且目前未发现不良反应,副作用很小［30］。

然而在临床应用中,间充质干细胞治疗急性呼吸窘迫综合征还存在一定问题。外源性干细胞迁移到损伤肺组织的数量少、在肺组织中存活率低、肺组织微环境对于干细胞功能影响大等问题都会限制干细胞治疗效果［31］；实验中实验组与对照组的变量很难完全控制,给药方式、给药剂量目前尚未研究清楚,未来仍需要更多试验支持间充质干细胞移植疗法的可行性与安全性。

5 小结

间充质干细胞为急性呼吸窘迫综合征的治疗提供了新的思路,甚至有望加入COVID-19 的治疗方案。尽管目前干细胞移植的机制尚未完全清楚,临床治疗的具体操作方案、耐受性和长期安全性还需要依靠大量实验证实,但无论如何这对于被疫情阴霾笼罩的世界都是值得期待的希望之火。