发布时间：2020-02-21所属分类：医学职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要背景：间充质干细胞疗法作为一种新兴的治疗方案，在治疗肺损伤方面具有很大的前景优势。目的：综述间充质干细胞治疗肺损伤的作用和保护机制，以期为临床治疗肺损伤提供理论依据。方法：检索万方、CNKI、PubMed、WebofScience等数据库2001年5月至2019年5
摘要背景：间充质干细胞疗法作为一种新兴的治疗方案，在治疗肺损伤方面具有很大的前景优势。目的：综述间充质干细胞治疗肺损伤的作用和保护机制，以期为临床治疗肺损伤提供理论依据。方法：检索万方、CNKI、PubMed、WebofScience等数据库2001年5月至2019年5月期间关于间充质干细胞应用于肺损伤的文献，检索词分别为“间充质干细胞，肺损伤，肺”和“mesenchymalstemcells，lunginjury，pulmonaryinjury”。排除陈旧以及重复的观点，将检索到的文献进行整理，共纳入53篇文献来进行分析。结果与结论：①梳理了间充质干细胞的定义、生物学特性及治疗肺损伤的机制，发现其可通过自身作用以及产生多种细胞因子和外泌体来治疗肺损伤;②总结了间充质干细胞治疗肺损伤的相关信号通路，例如PI3K/AKT信号通路、Wnt信号通路、NF-κB信号通路;③总结发现间充质干细胞与其他药物联合应用可以增强治疗肺损伤的效果，例如与促红细胞生成素、皮质类固醇联合应用等;④上述研究为临床上应用间充质干细胞治疗肺损伤提供了理论依据。
关键词：间充质干细胞;肺损伤;信号通路;保护作用;作用机制;干细胞;细胞因子;外泌体
0引言Introduction
肺损伤是肺疾病的一种常见情况，急性肺损伤严重者可发展为急性呼吸窘迫综合征(acuterespiratorydistresssyndrome，ARDS)，其发病率为26.3/10万人，致死率高，预后差[1];慢性肺损伤进一步加重可进展为肺纤维化。临床传统治疗肺损伤的方案仍不能达到满意的效果，干细胞疗法是一种新的治疗该疾病的方案，正发挥着极大的治疗潜质，目前关于间充质干细胞治疗肺损伤的机制有了更深的研究。文章就间充质干细胞治疗肺损伤的作用机制作一综述。
1资料和方法Dataandmethods
1.1资料来源由第一作者检索万方、中国期刊全文数据库(CNKI)、PubMed、WebofScience等数据库中相关发表的文章。中文检索词为“间充质干细胞，肺损伤，肺”，检索公式为“(间充质干细胞AND肺损伤)OR(间充质干细胞AND肺)”;英文检索词为“mesenchymalstemcells,lunginjury,pulmonaryinjury”，检索公式为“(mesenchymalstemcellsANDlunginjury)OR(mesenchymalstemcellsANDpulmonaryinjury)”。检索的时间范围是2001年5月至2019年5月。检索到中文文献189篇，英文文献773篇。
1.2入选标准将文献进行筛选，去除重复文献，选择与研究目的和研究内容紧密联系的文献。
1.3质量评估由2人进行信息情报检索，选取53篇相关文献进行归纳整理。文献筛选流程见图1。
2结果Results
2.1间充质干细胞
2.1.1间充质干细胞的生物学特性间充质干细胞属于多能干细胞，具有多向分化潜能、造血支持和促进干细胞植入、免疫调控以及自我复制、旁分泌等特点，来源于多种组织类型。在临床试验中，间充质干细胞主要来源于成人骨髓，其次是脂肪组织，还可来源于脐带组织和胎盘组织的产褥丢弃物[2-4]。国际细胞疗法协会的间充质和组织干细胞委员会定义了关于人类间充质干细胞的基本标准：首先，在标准条件下培养时，细胞必须是贴壁生长;其次，间充质干细胞表面表达CD105、CD73和CD90，不表达CD45、CD34、CD14或CD11b、CD79a或CD19及HLA-DR;同时，间充质干细胞在体外可分化为成骨细胞、脂肪细胞和成软骨细胞[5]。
2.1.2间充质干细胞治疗肺损伤的优势在细胞治疗的背景下，间充质干细胞与其他候选细胞类型(如胚胎干细胞或诱导多能干细胞)相比具有易获得、被自如使用、无需复杂体外操作以及通常具有低致瘤性风险等几个优点[5]。而且，间充质干细胞经静脉注射后首先归巢于肺中[6-7]，这利于更好地发挥治疗肺损伤的作用。
2.2间充质干细胞治疗肺损伤的机制目前，就间充质干细胞治疗肺损伤的研究机制很多，如PI3K/AKT信号通路、Wnt信号通路、NF-κB信号通路、产生的细胞因子、外泌体以及潜在分化趋势机制等，见图2，它们在治疗肺损伤方面有很大优势。
2.2.1信号通路
(1)磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)信号通路：PI3K是胞内脂质激酶家族成员，可以使磷脂酰肌醇和磷酸肌醇的3'-羟基基团磷酸化，具有调节细胞代谢、存活和极性以及调控囊泡运输的功能[8-9]。PI3Ks是胰岛素和生长因子反应的关键成分，它调节新陈代谢和细胞生长[8-11]，活化第二信使，参与细胞分化、增殖、凋亡以及迁徙等[13-14]。CHU等[10]报道通过激活PI3K/AKT信号通路来改善黑炭造成的肺损伤。在缺血再灌注损伤诱导的小鼠模型和氧葡萄糖剥夺/复氧诱导的人肺微血管内皮细胞模型中，骨髓间充质干细胞诱导自噬激活与PI3K/AKT信号通路有关，骨髓间充质干细胞移植可上调自噬诱导因子(包括PI3KⅢ类和LC3-Ⅱ)以及下调负调节因子(PI3KⅠ类)的表达，通过PI3K/AKT信号通路改善自噬水平，减轻肺损伤[11]。同时，还有学者报道自噬在调节间充质干细胞对氧化应激的反应中起着重要的作用[12]。在骨髓间充质干细胞减少炎性细胞因子对Ⅱ型肺泡细胞(alveolartypeIIepithelialcell，AT-Ⅱcell)损伤的机制研究中，可通过角质细胞生长因子(keratinocytegrowthfactor，KGF)依赖的PI3K/AKT/MTOR信号通路改善受损Ⅱ型肺泡细胞的炎症反应来治疗肺损伤[13]。LIN等[14]在诱导大鼠哮喘模型中发现间充质干细胞移植组的气道炎症程度和气道重塑程度明显受到抑制，且间充质干细胞移植后抑制了肺组织中磷酸化AKT(p-AKT)的表达，这表明间充质干细胞移植可通过PI3K/AKT信号通路在大鼠哮喘模型中抑制肺部炎症和气道重塑。在香烟烟雾诱导的肺损伤研究中，使用间充质干细胞条件培养基处理后可通过PI3K/AKT途径抑制细胞凋亡和促进肺成纤维细胞增殖来实现肺损伤修复[15]。以上研究说明了PI3K/AKT信号通路在肺损伤中起重要作用，间充质干细胞可以通过激活该途径进而发挥保护肺损伤的作用。
(2)Wnt信号通路：Wnt信号通路在肺泡细胞的发育生长以及损伤修复中起到了重要的作用，在Wnt/β-连环蛋白(Wnt/β-catenin)信号通路中，Wnt表达增加会抑制β-连环蛋白的产生[6，16-18]。ZHANG等[6]在光气诱导的鼠肺损伤模型中，转化生长因子β1和Wnt5a的表达与Wnt3a/β-连环蛋白信号通路的抑制相关，外源性间充质干细胞归巢于受损的肺组织，通过阻断转化生长因子β1和wnt5介导的Wnt3/β-连环蛋白信号传导的抑制而降低上皮细胞通透性，这表明Wnt/β-连环蛋白信号传导途径在肺修复中起重要作用。在大鼠骨髓间充质干细胞与脂多糖诱导巨噬细胞凋亡的体外细胞共培养实验研究中发现，骨髓间充质干细胞减少了巨噬细胞以适当比例共培养时的细胞凋亡，骨髓间充质干细胞通过抑制Wnt/β-连环蛋白途径部分减弱巨噬细胞凋亡，降低了caspase-3和促凋亡蛋白Bax的表达，增加抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，延长了巨噬细胞的体外寿命，共培养系统中骨髓间充质干细胞可逆转巨噬细胞中Wnt/β-连环蛋白信号通路的激活[16]。在小鼠间充质干细胞与小鼠肺上皮-12细胞的小气道生长培养基共培养实验中，间充质干细胞分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞与Wnt信号通路有关，间充质干细胞的增殖性、氧化应激诱导下细胞凋亡的降低以及诱导其向受损的肺组织迁移均与Wnt信号通路相关，同时Wnt信号通路也参与间充质干细胞分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞[17]。在SD大鼠急性肺损伤模型中，Wnt信号通路在骨髓间充质干细胞分化为Ⅰ型肺泡上皮细胞中起重要作用，Wnt-1和Wnt-3α信号通路在骨髓间充质干细胞分化为Ⅰ型肺泡上皮细胞过程中被激活[18]。小鼠骨髓间充质干细胞也可通过过表达β-连环蛋白而激活经典Wnt/β-连环蛋白信号通路，进一步提高小鼠骨髓间充质干细胞对上皮损伤的保护，从而对急性呼吸窘迫综合征小鼠有治疗作用，该途径增加了小鼠骨髓间充质干细胞在肺中的驻留，促进了小鼠骨髓间充质干细胞向Ⅱ型肺泡上皮细胞的分化，改善了肺上皮通透性，减轻急性肺部炎症，抑制肺纤维化[19]。研究还发现Wnt/β-连环蛋白信号传导途径在肺纤维化的病理过程中起重要作用，通过特异性抑制剂来抑制该传导通路可抑制肺纤维化的发展[20]。间充质干细胞培养过程中加入白细胞介素1β可以刺激间充质干细胞的血管重塑能力，这是由miR-433的过表达导致β-连环蛋白表达增多，从而活化Wnt信号通路实现的[21]。
(3)NF-κB信号通路：NF-κB由一系列转录因子组成，这些因子在炎症、免疫、细胞增殖、分化和存活中起关键作用，NF-кB家族包含的转录因子控制大量靶基因的表达以适应环境的变化，有助于协调炎症和免疫应答[22]。间充质干细胞可通过分泌TSG-6，抑制NF-кB信号通路，减少炎症反应，促进抗炎细胞因子的表达，将巨噬细胞转化为抗炎表型[23]。在脂多糖诱导的急性肺损伤模型中，间充质干细胞可减少炎症损伤，通过调节Toll样受体2和Toll样受体4介导的NF-кB信号通路从而对急性肺损伤产生保护作用[24]。间充质干细胞还下调了促炎因子肿瘤坏死因子α、白细胞介素6和白细胞介素1β的表达，上调了抗炎因子白细胞介素10的表达[2，4，24]。另外，Toll样受体4和蛋白酶激活受体1在间充质干细胞的存活以及治疗肺损伤中发挥重要作用[25]。SU等[26]报道间充质干细胞条件培养基通过诱导中性粒细胞凋亡从而减弱脂多糖诱导的急性肺损伤也与NF-κB途径的抑制有关。间充质干细胞还可通过可溶性肿瘤坏死因子α受体1来抑制NF-кBp65的信号传导，从而抑制心脏和肺部的炎症反应[27]。
2.2.2旁分泌
(1)分泌细胞因子：间充质干细胞可产生多种细胞因子[28-29]，其可分泌具有细胞保护和修复特性的生长因子、角质细胞生长因子、血管内皮生长因子和肝细胞生长因子等。
角质细胞生长因子又称成纤维细胞生长因子7，是成纤维细胞生长因子家族中的成员之一，它介导多种组织中表皮或上皮细胞增殖和分化。角质细胞生长因子可以与成纤维细胞生长因子受体结合，激活PI3K途径，从而对细胞功能发生调控作用[30-31]，其可通过PI3K/AKT/MTOR信号通路来改善受损Ⅱ型肺泡上皮细胞的炎症以改善肺损伤[13]。角质细胞生长因子也可通过多种机制发挥作用，包括恢复肺内皮和上皮的通透性，并改善肺泡上皮细胞清除肺泡水肿的能力[28]。有研究表明，间充质干细胞可依赖角质细胞生长因子的旁分泌机制促进肺损伤后的修复[32]。角质细胞生长因子是通过刺激上皮细胞增殖进行促进肺上皮修复的关键介质，间充质干细胞可减弱肺纤维化，经角质细胞生长因子预处理的间充质干细胞可预防肺纤维化，这种作用部分归因于间充质干细胞向纤维化肺的动员增强;此外，角质细胞生长因子也可激活与干细胞分化相关的SHH信号传导途径，从而间充质干细胞表达角质细胞生长因子的特异性受体，这表明角质细胞生长因子可能对间充质干细胞有促分泌作用[33]。
在使用间充质干细胞条件培养基以及加入肝细胞生长因子和血管内皮生长因子受体抑制剂的实验中，间充质干细胞条件培养基显著降低了脂多糖诱导肺损伤的内皮细胞旁通透性和跨细胞通透性，也能降低内皮细胞凋亡和诱导内皮细胞增殖，同时发现间充质干细胞分泌的肝细胞生长因子具有保护肺损伤后的内皮屏障功能，间充质干细胞分泌的血管内皮生长因子可以与肝细胞生长因子协同作用以稳定内皮细胞屏障功能[34]。在接受间充质干细胞注射的高氧诱导的肺损伤模型中，肺组织血管内皮生长因子的表达明显提高，并且损伤肺内Ⅱ型肺泡上皮细胞的功能得到了改善，潜在说明间充质干细胞的输注增加了血管内皮生长因子的产生[35]。
将间充质干细胞加入到含肺祖细胞的3D培养基中发现其增加了肺泡的分化和器官形成，间充质干细胞条件培养基不仅可以促进肺泡器官的形成[36]，而且可促使中性粒细胞凋亡以减轻肺损伤[26]，这表明间充质干细胞条件培养基中的一些因子发挥作用。骨髓间充质干细胞移植增加了大鼠吸入烟雾致吸入性肺损伤的微血管数量，增加了肺湿干质量比，通过骨髓间充质干细胞的旁分泌机制减轻肺损伤[37]。
(2)微囊泡和胞外囊泡：许多临床前研究表明祖细胞和干细胞群体(包括间充质干细胞)在肺纤维化动物模型损伤早期炎症阶段有治疗效果，旁分泌在抗炎中起着关键作用[29，38]。PARK等[39]进行的体外肺实验表明，间充质干细胞释放的微囊泡增加了肺泡液体清除率和降低了肺蛋白的通透性，经过聚肌胞苷酸预处理后显著减低细菌定植数量。通过Toll样受体3激动剂预处理后的间充质干细胞来源微囊泡在离体肺内的抗大肠杆菌能力明显增强，其与增强巨噬细胞吞噬细菌活性有关，间充质干细胞来源微囊泡明显增加肺泡液体清除率，减少蛋白质通透性以及降低损伤肺泡的细菌数量，这表明离体人肺泡巨噬细胞在体外与间充质干细胞来源微囊泡联合治疗增加了抗菌能力。将微囊泡的量增加1倍，其疗效并未明显增加，说明微囊泡有治疗上限[39-40]。MORRISON等[41]报道人骨髓间充质干细胞抑制急性呼吸窘迫综合征患者支气管肺泡灌洗液中巨噬细胞促炎性细胞因子的分泌，是间充质干细胞产生的胞外囊泡，通过使线粒体从间充质干细胞转导到巨噬细胞内以及增强巨噬细胞中氧化磷酸化来实现的，这提高了巨噬细胞的吞噬能力和M2巨噬细胞标志物CD206的表达。此外，肺泡巨噬细胞凋亡在急性肺损伤及其严重型急性呼吸窘迫综合征中起致病作用[16]。XU等[42]在光气诱导的急性肺损伤模型研究中，发现间充质干细胞衍生的外泌体通过调节炎症、抑制基质金属蛋白酶9合成、提高表面活性物质相关蛋白C水平，对急性肺损伤发挥有益作用。
(3)外泌体：miR-21-5p是一种抗凋亡miRNA，是间充质干细胞来源外泌体中的主要成分之一，对氧化应激诱导的细胞凋亡有保护作用，经气管内给予miR-21-5p可显著减轻肺水肿、肺功能障碍、肺泡巨噬细胞极化及白细胞介素8、白细胞介素1β、白细胞介素6、白细胞介素17、肿瘤坏死因子α的分泌，说明间充质干细胞通过miR-21-5p抑制内源性和外源性凋亡途径，改善了缺血再灌注肺损伤以及缺氧/复氧诱导的细胞凋亡[7]。间充质干细胞外泌体中另一重要成分miR-124-3p，能抑制嘌呤能受体P2X配体门控离子通道7(P2X7)的表达，改善创伤性急性肺损伤的氧化应激损伤以及炎性反应[43]。
2.2.3分化能力鼠源间充质干细胞可分化为鼠上皮细胞，鼠源间充质干细胞中过表达p130或E2F4可以进一步改善急性呼吸窘迫综合征小鼠肺上皮细胞损伤，降低其高渗透性，促进鼠源间充质干细胞向Ⅱ型肺泡上皮细胞分化从而改善肺通透性和肺纤维化，减少肺水肿，进一步提高鼠源间充质干细胞治疗小鼠急性呼吸窘迫综合征的效果[44]。LI等[45]移植Lats1敲低的鼠源间充质干细胞后，抑制了脂多糖诱导的急性呼吸窘迫综合征小鼠的Hippo信号通路，促进了鼠源间充质干细胞在肺组织的保留及其向Ⅱ型肺泡上皮细胞的分化。
2.2.4与其他药物联合间充质干细胞与其他药物联合应用可以增强保护肺损伤的作用。间充质干细胞与1-磷酸鞘氨醇类似物FTY720联合治疗脂多糖诱导的急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征的疗效更好[46]。间充质干细胞和血管紧张素转换酶Ⅱ共同给药可明显抑制急性肺损伤小鼠的细胞凋亡[47]。LUAN等[48]提出间充质干细胞与促红细胞生成素联合应用可减轻高氧诱导的肺损伤，减少肺纤维化，二者是通过抑制转化生长因子β1信号通路来促进肺泡发育不良损伤肺的修复。小鼠间充质干细胞与促红细胞生成素联合治疗支气管肺发育不良的实验中，血管密度和血管内皮生长因子水平、基质细胞衍生因子1及其受体CXC趋化因子受体4(CXCR4)的表达水平显著增加。促红细胞生成素显著促进了间充质干细胞的增殖、迁移以及抗凋亡能力[49]。与临床上单独使用的皮质类固醇治疗方法相比，联合应用间充质成血管细胞衍生的间充质干细胞对实验性慢性过敏性气道疾病有更好的保护作用[50]。
2.2.5其他间充质干细胞培养过程中加入小分子脯氨酰羟化酶抑制剂AKB-4924可以提高间充质干细胞中的缺氧诱导因子1α水平，增强体外治疗小鼠实验性细菌性肺炎及急性肺损伤的能力[51]。缺氧条件下间充质干细胞实现了较高的缺氧诱导因子1α和Akt活化水平，通过促进缺氧诱导因子1α介导的间充质干细胞增殖和提高其抗氧化能力来增强间充质干细胞对辐射诱导的肺损伤的治疗效果，其停留肺内时间延长、细胞活力和增殖潜力增加、活性氧水平降低且抗氧化能力增强[52]。经修饰的间充质干细胞还改善了急性呼吸窘迫综合征动物的肺水肿，减少了炎症反应，减轻了病理性损伤和肺组织中的纤维化[17，19，45]。
3总结与展望Conclusionsandprospects
间充质干细胞治疗肺损伤的作用机制很多，尤其是在抗炎、修复受损细胞方面具有很大的前景。课题组前期研究发现间充质干细胞可以降低炎性因子和基质蛋白酶9水平，提高抗炎因子白细胞介素10水平，从而减少了体外循环后造成的肺损伤程度[2，4]，国内外研究也表明间充质干细胞在治疗肺损伤的抗炎方面确实有效果[25-27]。现阶段间充质干细胞对人类器官保护作用的研究仍然不足，其中Ⅰ期间充质干细胞治疗急性呼吸窘迫综合征的临床试验表明，间充质干细胞静脉输注与严重不良事件均不相关[53]。以人离体肺大肠杆菌感染模型进行的实验表明，间充质干细胞条件培养基确实增强了肺的抗菌能力[39]，虽然未能表明是条件培养基内的外泌体还是分泌的因子或者其他成分发挥的作用，但这已经是一个人器官离体实验的巨大突破。在人肺微血管内皮细胞与间充质干细胞来源微囊泡的共培养模型中发现，间充质干细胞分泌的肝细胞生长因子和血管内皮生长因子可以稳定内皮细胞的屏障功能从而起到保护肺损伤的作用[34]。
总之，干细胞移植疗法已经凸显出较强的优势，其在心肺疾病以及其他器官疾病治疗方面已经彰显出了很强的治疗作用，不论是干细胞分泌的因子还是外泌体，还是与其他药物联合应用，都表现出了很好的治疗作用，现今阶段还未完全明确间充质干细胞对于肺损伤治疗的机制及相关作用，而且临床上以人为研究对象进行间充质干细胞治疗肺疾病的研究尚不足，在以后的科研发展中仍需明确动物实验基础上是否对人肺损伤有保护效果，以供临床使用。
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