骨髓间充质干细胞移植对急性肺损伤大鼠的治疗作用

[摘要] 急性肺损伤（ALI）是急性呼吸窘迫综合征的前期表现，严重时可发展为多器官功能障碍综合征，具有较高的发病率及病死率。目前对于ALI的治疗主要以机械通气和对症治疗为主，但病死率仍居高不下。随着干细胞研究的深入，骨髓间充质干细胞（BMSCs）对ALI的治疗作用被逐渐认可。在大量研究的基础上，本研究归纳了BMSCs通过增殖分化、抑制炎症反应、免疫调节等方面治疗ALI的机制与特点。

[关键词] 骨髓间充质干细胞；急性肺损伤；移植

[中图分类号] R563 [文献标识码] B [文章编号] 1674-4721（2014）01（c）-0188-04

急性肺损伤（acute lung injury，ALI）是由非心源性的各种肺内、外因素引起的，呈急性、进行性呼吸衰竭临床表现的疾病。ALI可由多种不同的病因引起，发病率与病死率也因病因的差异而有所不同，在疾病的后期能迅速进展为急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）[1]。随着近年对于干细胞研究的逐渐增加，骨髓间充质干细胞（bone marrow-derived mesenchymal stem cells，BMSCs）移植后能增殖分化修复肺组织结构、调节肺内凋亡机制，抑制炎症及免疫调节的能力[2]，越来越受到呼吸疾病研究工作者的重视，有望成为治疗ALI的新方法。

1 ALI

1.1 ALI的发病机制

ALI/ARDS多由相关的临床疾病引起，可以分为肺内因素和肺外因素。肺内因素包括肺炎、误吸、挫伤、栓塞、吸入性损伤和缺血-再灌注。肺外因素包括肺外脓毒症、创伤、烧伤、大量输血、冠状动脉旁路移植术、中毒与急性胰腺炎等[3]。病理特征主要有肺泡上皮细胞和肺毛细血管内皮细胞损伤，进而两者通透性增加，造成弥漫性肺间质水肿，肺泡充满富含蛋白质的渗出液，约72 h后形成透明膜，导致肺容积减少、肺顺应性降低、严重的通气/血流比例失调。临床上表现为进行性血氧降低和呼吸窘迫，肺部影像学上出现斑片状以至大片状的浸润阴影[4]。

1.2 ALI的诊断

1994年欧美联席会议提出了ALI/ARDS的诊断标准[1]，中华医学会呼吸病学分会也于2000年提出了我国ALI/ARDS的诊断标准。①有ALI/ARDS的高危因素；②急性起病、呼吸频数和（或）呼吸窘迫；③低氧血症：ALI时动脉血氧分压（PaO2）/吸入氧分数（FiO2）值≤300，ARDS时PaO2/FiO2≤200；④胸部X线检查显示两肺浸润阴影；⑤肺动脉楔压（PAWP）≤18 mm Hg或临床上能除外心源性肺水肿。同时符合以上5项条件，可以诊断为ALI或ARDS[5]。

1.3 ALI的流行病学现状

据美国华盛顿医疗中心统计，在美国的重症监护病房（ICU），每年约有190 000例患者诊断为ALI，而在急诊科接受机械通气的非创伤患者中，符合ALI诊断标准的比例为8.7%[6]。在普通呼吸病房中，出现急性肺部浸润的患者达66%，其中9%的患者符合ALI的诊断标准，2%的患者诊断为ARDS[7]。有研究显示，1994～2006年，ALI/ARDS的病死率约为43%，与以往相比虽有明显下降，但仍需要极高度的关注[8]。

1.4 ALI的治疗现状

ALI的临床治疗分为药物治疗和机械辅助治疗。药物治疗：皮质类固醇激素、体液管理、神经肌肉阻断剂[9]。机械辅助治疗：低潮气量通气、呼气末正压通气、高频通气与常规通气[10-11]。其他辅助治疗：预防应激性溃疡和静脉血栓，营养支持和治疗相关的伤害等[12]。上述治疗在挽救和维持患者生命中起着重要的作用，但却未能大幅度降低病死率，对于ALI的肺泡浸润、肺泡上皮和毛细血管损坏、肺部及全身的炎症不能很好地统一兼顾，致使病死率居高不下，急需寻求ALI/ARDS更完善的治疗方法。随着对ALI发病机制的研究和上述治疗并发症方法的增加，ALI的治疗重点逐渐转向非机械通气手段。

2 BMSCs

有研究显示，BMSCs移植后，能归巢到肺组织损伤部位，并通过释放可溶性因子，减轻肺毛细血管内皮的通透性及肺泡水肿、缓解肺部炎症、促进细胞增殖、抑制细胞凋亡、帮助肺部血管重建等，起到治疗ALI/ARDS的效果[13-14]。下面将从三方面介绍BMSCs移植治疗ALI大鼠的研究现状。

2.1 BMSCs归巢与增殖分化

ALI病理改变发展过程中，逐渐出现肺泡上皮受损坏死，成纤维细胞增生和胶原沉积。在BMSCs治疗ALI的研究中，将β-半乳糖苷酶标记的BMSCs经尾静脉输入博来霉素引起的大鼠肺损伤模型中，BMSCs可迁移到肺组织，并分化为具有Ⅰ型肺泡上皮的形态特征及特异性表面标记：T1α和水通道蛋白-5的细胞[15]。Ma等[16]在体外建立了模拟肺部微环境的培养基，植入BMSCs，发现BMSCs能成功分化为具有表面蛋白C（surfactant protein C，SP-C）的人Ⅱ型肺泡上皮细胞特异性表面标志蛋白。将荧光原位杂交技术标志的雄性大鼠的BMSCs在第一时间移植到博来霉素引起的雌性肺损伤大鼠模型中，发现雄性大鼠的BMSCs能快速增殖为移植数目的3倍，同时显现出Ⅱ型肺泡细胞样形态并显著减轻肺部炎症和胶原沉积[17]。有研究证明，移植的BMSCs能归巢到损伤肺组织并增殖分化修复肺部结构，减少肺部结构改变。

2.2 BMSCs对细胞因子的调节作用

BMSCs可产生肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）[18]，HGF对BMSCs有多重生物学效应。弹性蛋白酶引起的肺损伤大鼠，经鼻腔吸入HGF后，可显著改善肺泡腔的扩大和肺泡壁的破坏。经2周的HGF治疗后，明显提高静态肺顺应性、肺部增殖细胞核抗原（PCNA）和细胞角蛋白-19的水平，提示BMSCs分泌HGF有促肺泡新生和动员干细胞修复损伤的能力[19]，减缓ALI的小气道闭陷和肺泡萎陷不张。

BMSCs移植的受体大鼠肺泡灌洗液中，可发现角质细胞生长因子（keratinocyte growth factor，KGF）明显升高。KGF又称FGF-10，是人体皮下组织细胞分泌的一种碱性蛋白生长因子，特异性地结合到上皮细胞表面的特异受体，经过复杂的信号传递过程，启动上皮细胞内参与分裂生长的基因表达，从而刺激上皮组织的新陈代谢。Huh等[20]研究显示，KGF通过磷酸化蛋白激酶B（Akt/PKB），启动多种途径抑制Ⅱ型肺泡上皮凋亡。在机械通气造成的ALI中，KGF介导BMSCs恢复系统氧合能力和肺顺应性，降低全肺水肿程度，减少肺部炎症、肺组织损伤和恢复肺的结构，同时降低致炎因子TNF-α，提高抗炎因子IL-10[21]。Wang等[22]证明KGF可以提高ALI肺泡对液体的运输能力，减轻肺部湿/干比。

在木瓜蛋白酶引起的肺气肿模型中，出现了TNF-α的升高，继而导致移植的BMSCs分泌血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）。VEGF表达于血管内皮表面，能作用于血管内皮细胞促进血管内皮细胞增殖，增加血管的通透性。Zhen等[23]阻断VEGF信号传导通路后，发现肺部细胞凋亡增加，肺气肿加重，提示VEGF对木瓜蛋白酶损害下的肺部细胞起保护作用。

BMSCs还可以分泌肾上腺髓质素[24]，肾上腺髓质素能增加外周血循环中的单核细胞和干细胞抗原-1（Sca-1）阳性细胞，吸引循环中的内源性骨髓干细胞到损伤的肺组织参与修复，并对肺泡上皮和内皮细胞起直接保护作用[25]。

白细胞介素1受体拮抗剂（interleukin 1 receptor antagonist，IL1RN）是由BMSCs其中一组细胞亚群特异分泌的物质，能在体外阻断依赖T细胞活化分泌的IL-1和抑制活化的巨噬细胞分泌TNF-α，通过抑制IL-1和TNF-α这两大炎性因子来保护ALI时的肺组织[26]。

IL-10是BMSCs治疗ALI中一个重要的细胞因子，主要由Th2细胞和单核巨噬细胞产生；具有抑制前炎症细胞因子产生，抑制MHC-Ⅱ类分子和B-7分子的表达，抑制T细胞合成IL-2、IFN-γ等细胞因子，促进B细胞分化增殖等作用。BMSCs能通过直接调节Th2细胞分泌IL-10，或者通过KGF等因子间接调控，起到抗炎效果[20，27]。经气管输入BMSCs对抗内毒素造成的ALI试验中，BMSCs能显著上调IL-10，同时下调TNF-α和巨噬细胞炎性蛋白（monocyte inflammatory protein-2，MIP-2），提高ALI小鼠的生存率[27]。

由此可见，BMSCs可通过释放可溶性因子抑制细胞凋亡，促进细胞增殖，调节细胞因子缓解肺部炎症，保护肺组织。

2.3 BMSCs对免疫细胞的调节作用

BMSCs可改变树突状细胞（dendritic cell，DC）分泌的细胞因子，使成熟的DC1减少TNF-α的分泌，DC2可增加抗炎因子IL-10分泌；BMSCs同时作用于T细胞，减少Th1释放INF-γ，Th2增加IL-4的分泌，并且增加Treg细胞的生成，使组织内IL-10增加[28]。BMSCs通过分泌可溶性因子，使IgM、IgG、IgA表达受损，B细胞在抗原依赖期不能与抗原高亲和力结合，其表面的CD40不能很好地表达，B细胞与Th细胞特异性结合，用于活化的B细胞减少，致使B细胞不能继续分化和发育为浆细胞。B细胞表面趋化因子受体CXCR4、CXCR5、CXCR7表达受损，对CXCL12、CXCR4配体、CXCL13、CXCR5配体的趋化性显著下调。BMSCs通过抑制B细胞活化及趋化，能有效减少ALI发生时体内出现的过度和自我破坏的炎性反应[29]。

3 BMSCs治疗ALI的预临床、临床实验

3.1 BMSCs在体外人体组织中的作用

大量的动物实验提示了BMSCs治疗ALI可以从抗水肿、抗凋亡、抗炎症、免疫调节出发，表现出了很高的可行性，而这些治疗机制在人体是否具有同样的作用也受到了重视。用38具不能利用于肺移植的人体肺组织，建立体外血液循环及呼吸循环，再具体分组为控制组、LPS肺损伤组、LPS+MSC治疗组、LPS+MSC条件培养液治疗组，对其肺泡液体清除（AFC）及肺泡液中KGF含量进行比较，结果显示，异体BMSCs移植或BMSCs条件培养液移植可以明显减轻肺水肿，改善肺内皮细胞屏障的完整性，使肺泡上皮细胞对液体的运转能力恢复正常，并认为这是通过KGF介导肺泡液钠转运引起的[30]。

3.2 BMSCs移植在活体人体内的治疗尝试

2010年南京一位19岁女性系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus，SLE）患者因出现痰中带血，迅速进展为进行性呼吸困难和低氧血症，被诊断为SLE相关的弥漫性肺泡出血（diffuse alveolar hemorrhage，DAH），经类固醇激素和免疫球蛋白的冲击疗法后仍无明显好转。Liang等[31]为患者进行了脐带血来源的间充质干细胞（MSCs）异体移植，移植后患者的临床表现得到迅速改善，影像学及血液学在1周后恢复正常。SLE相关的DAH通常认为与免疫复合物沉积在肺泡毛细血管基底膜，引起基底膜损伤和血管炎相关。该病例的成功治疗，提示了MSCs对肺组织的保护作用，但其机制尚未明确。

在ALI/ARDS的治疗中，不仅要在疾病的早期对抗其肺水肿、内皮细胞和肺泡细胞的破坏引起的顽固性低氧血症和呼吸窘迫，还需在后期治疗中调节全身的免疫机制，缩短炎症持续期，维护肺组织结构，改善预后。BMSCs在此显示出的对疾病的多功能调节，使其受到了极大的关注。然而BMSCs的提取、培养、动物模型的制造，BMSCs与各种细胞因子、炎症因子、肺组织内源性干细胞、免疫细胞的相互作用还需要进一步的探索，其对于ALI/ARDS的临床治疗也需要更多的基础研究支持。

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（收稿日期：2013-09-29 本文编辑：林利利）