干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征的進展

邢學忠，高勇，王海軍，曲世寧，黃初林，楊全會

(國家癌癥中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院 重癥醫學科，北京 100021)

干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征的進展

邢學忠，高勇Δ，王海軍，曲世寧，黃初林，楊全會

(國家癌癥中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院 重癥醫學科，北京 100021)

急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)病死率高達40%，多種藥物治療未發現能夠改善ARDS的預后。近年來動物研究及離體人肺研究發現間充質干細胞(mesenchymal stem/stromal cells，MSCs)可以增加肺水清除、減輕炎癥，對ARDS有一定的療效。1期臨床研究提示間充質干細胞治療人ARDS是安全的。MSCs治療人ARDS的一項2期臨床試驗(NCT01775774)正在進行。盡管MSCs治療ARDS剛剛起步，基于細胞的干細胞療法為ARDS的治療提供了新的希望。本文簡要回顧MSCs治療ARDS的現狀，包括MSCs治療ARDS的動物實驗和臨床試驗，機制和存在的問題。

急性呼吸窘迫綜合癥；干細胞療法；進展

急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是一種常見的臨床綜合征，病理特征為早期肺毛細血管充血肺泡水腫，后期可出現肺泡2型上皮細胞的增殖或纖維化[1]，臨床表現為急性起病的呼吸困難和低氧血癥[2]。最近的一項多中心研究報道：其在重癥醫學科的發病率約10%[3]。目前臨床治療ARDS的有效策略包括保護性肺通氣、俯臥位通氣等，但病死率仍達40%[3]。多種藥物治療未發現能夠改善ARDS的預后[4]。近年來，研究提示應用間充質干細胞治療離體的人肺損傷有效，可以增加肺水清除、減輕炎癥，并具有抗菌活性[5]。1期臨床研究提示間充質干細胞治療人ARDS安全[6]。此外，間充質干細胞治療人ARDS的一項2期臨床試驗(NCT01775774)正在進行[6]。可見，基于細胞的干細胞療法為ARDS的治療提供了新的希望。為此，簡要回顧干細胞治療ARDS的現狀、機制和存在的問題。

1 干細胞臨床應用的現狀

干細胞通過不對稱分裂，產生類似自身的細胞，即自我更新[7]。同時，干細胞還可分化為多種細胞，因此也稱為多能干細胞。因此，干細胞可能用于臨床各個器官損傷細胞的修復。干細胞有多種，包括胚胎干細胞(embryonic stem cells，ESCs)、內皮祖細胞(endothelial progenitor cells，EPCs)、誘導的多能干細胞(induced pluripotent stem cells，iPSCs)，以及間質干細胞(mesenchymal stem/stromal cells，MSCs)[8]。MSCs可以從骨髓和臍帶中獲取，因此容易獲取[9]。此外，MSCs有免疫原性低、方便異體給予等優點。因此，理論上MSCs更適宜在臨床應用。

1995年Lazarus等首次報道了采集23例惡性骨髓腫瘤完全緩解患者的干細胞進行體外培養，然后回輸至患者體內的1期臨床研究。結果15例完成了研究，從注射到回輸的時間為28～49 d，劑量為1×106、10×106和50×106個細胞/kg，且發現在人體內注射干細胞安全[10]。其后，MSCs已用于多種疾病，包括急性心肌梗死和肝病等。研究多為1期和2期試驗，均驗證了干細胞治療的安全性和有效性[11]。

2 干細胞治療ARDS的現狀

干細胞治療ARDS的臨床研究最早于2015年報道[6]。但在此之前已有多個動物研究和離體人肺的研究證實干細胞治療ARDS的有效性。Gupta等[12]對應用大腸埃希菌制作的鼠肺感染急性肺損傷的模型經氣管給予合成的MSCs，發現與對照組相比，研究組生存期改善、肺損傷減輕、細菌清除率增加。Asmussen等[13]先用棉花煙吸入，繼之經氣管灌入銅綠假單胞菌制作羊急性肺損傷模型，然后靜脈分別給予MSCs和電解質。發現MSCs組氧合指數(PaO2/FiO2)改善、肺水腫減輕。

2.1 干細胞治療ARDS的動物和臨床研究 動物研究證實MSCs治療ARDS具有有效性，同時在離體人肺的研究也證實了MSCs治療ARDS的有效性。Lee等[5]在離體人肺制造了大腸埃希菌肺炎肺損傷的模型，后將5×106或10×106個細胞/kg的人MSCs注入右肺中葉作為研究組，應用重組人角質細胞生長因子(keratinocyte growth factor，KGF)100ng或正常人肺纖維母細胞作為對照組。結果發現MSCs能夠恢復肺泡液體清除率、減輕炎癥，而且增加細菌清除率、減少菌血癥的發生率。McAuley等[14]的研究也證實MSCs能夠恢復離體人肺的肺泡液體清除率。

2.2 干細胞治療ARDS的方式、劑量和應用時機 關于MSCs治療肺損傷的應用方式，一般有靜脈注射、氣管內注射和腹腔注射3種。Hayes等[15]研究了呼吸機相關肺損傷的鼠模型氣管內、靜脈或腹腔內應用MSCs的效果，結果發現：氣管內或靜脈給予MSCs的效果優于腹腔給藥，表現為氣管內或靜脈給藥組鼠氧合指數改善、肺順應性改善、肺泡內炎癥減輕、肺組織結構恢復，而腹腔給藥組鼠肺泡內炎癥無明顯減輕、肺組織結構恢復不明顯。Devaney等[16]對比研究了氣管內或靜脈給予MSCs治療鼠ARDS的結果，發現2組在改善動脈氧合、改善肺順應性、減少肺泡蛋白方面無差異，但氣管內給藥在提高肺泡內白細胞介素10(interleukin 10, IL-10)和KGF的濃度方面優于靜脈給藥組。因此，應用MSCs治療ARDS，首選氣管內給藥，其次靜脈給藥，最后腹腔給藥。

關于MSCs治療ARDS的用藥劑量，Zheng等[17]報道了靜脈應用MSCs治療鼠ARDS的隨機對照研究，每組6只小鼠，應用劑量為2×108個細胞/kg。結果發現：MSCs方法安全、可行，2組小鼠的生存時間和血漿標記物水平無顯著差異。樣本小可能是該項研究的缺陷。Hayes等[15]應用了1×106、2×106、5×106和1×107個細胞/kg 4種劑量的MSCs治療鼠ARDS。結果發現，后3組鼠均表現為動脈氧合改善、肺順應性改善，而1×106個細胞/kg組改善不明顯。因此，Hayes等提出治療鼠ARDS的最低劑量為2×106個細胞/kg。劉慧瑩[18]研究發現：應用2×105個細胞/kg劑量MSCs治療內毒素-肺損傷小鼠后，小鼠的肺組織病理損傷明顯減輕、病死率下降。當MSCs的劑量增加至5×105和1×106個細胞/kg時小鼠的病死率反而增加。分析原因可能與細胞劑量較多，向損傷組織歸巢時聚集在肺毛細血管床，引起肺泡毛細血管淤血及微血栓形成有關。

關于MSCs的給予時間，大多數研究均在造模后幾小時內給予[13-14,16-17]。Hayes等[15]研究在3個治療時間節點0.25、6、24 h應用MSCs治療鼠ARDS的預后，結果發現在ARDS發病后24 h應用MSCs仍能較好地緩解鼠ARDS。劉慧瑩[18]研究在3個治療時間節點0.25、4、24 h應用MSCs治療鼠ARDS的預后，得到相似結果。上述研究結果給予臨床的提示是在確診ARDS的24 h之內應用MSCs均有效。

2.3 干細胞聯合其他療法治療ARDS的效果 彭珊珊等[19]應用高頻振蕩通氣(high frequency oscillatory ventilation，HFOV)聯合MSCs治療內毒素-肺損傷兔，發現：與單用HFOV或MSCs相比，聯合治療組的肺損傷兔氧合顯著改善、炎癥反應和肺損傷顯著減輕，提示聯合療法優于單一療法。劉慧瑩[18]應用甲強龍聯合MSCs治療鼠ARDS發現：單用甲強龍或單用MSCs與甲強龍聯合MSCs治療組3組之間鼠肺損傷的病理改善程度相近、病死率無顯著差異，提示甲強龍聯合MSCs不優于單一療法。鹽酸戊乙奎醚是中國原創的選擇性莨菪類藥物。曹惠娟[20]應用鹽酸戊乙奎醚聯合MSCs治療內毒素-肺損傷大鼠，發現：與單用鹽酸戊乙奎醚或MSCs相比，聯合治療組的肺損傷兔氧合顯著改善、炎癥反應和肺損傷顯著減輕，提示聯合療法優于單一療法。

3 干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征的機制

早年研究認為[8]，MSCs治療肺損傷的機制在于：MSCs特異性招募至肺內，移行至肺損傷部位后能分化為肺泡上皮細胞和肺微血管內皮細胞，從而修復損傷肺組織結構，保護肺功能。近年研究發現：除上述機制外，旁分泌是MSC發揮肺組織或細胞修復作用的重要機制。旁分泌是指MSCs細胞通過分泌多種細胞因子調控肺組織的修復和炎癥。如通過分泌KGF、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)、肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor，HGF)等促進肺泡上皮細胞和肺微血管內皮細胞增殖和再生；通過B淋巴細胞瘤-2基因 (B-cell lymphoma-2，Bcl 2)、生存素(survivin)調控肺泡上皮細胞和肺微血管內皮細胞凋亡；通過分泌IL-10和轉化生長因子-β(transforming growth factor，TGF-β)等調控肺炎癥反應[21]。

除旁分泌外，MSCs治療ARDS的另一個機制是細胞-細胞接觸依賴，及核酸和細胞器的轉移。Zhu等[22]將從MSCs中分離出的細胞微泡(microvesicles，MVs)氣管內注入大腸埃希菌急性肺損傷鼠體內，發現：MVs可以顯著改善急性肺損傷的水平包括肺水減少和肺炎癥減輕。而經過KGF siRNA預處理的MSCs則部分減弱了MVs的治療效果，提示MVs部分是通過KGF mRNA而發揮作用。Monsel等研究發現：MVs可以顯著改善內毒素肺損傷鼠的肺損傷水平，而這種作用是通過CD44介導。Toll樣受體-3(Toll-like receptor 3，TLR-3)激動劑預處理可增強MVs的治療作用[23]，而抗CD44抗體處理后減弱MVs的治療作用[24]。

4 干細胞治療急性呼吸窘迫綜合征存在的問題

經過多年的研究，目前MSCs治療ARDS已經由1期臨床走向2期臨床，有望為ARDS提供一種改善預后的新的治療方法，但也存在種種顧慮。如有報道[25]表明MSCs可分化為肉瘤，MSCs易使乳腺癌細胞進入骨髓，從而產生對化療藥物的耐藥性[26]。但近年也有報道發現[27]，預防應用MSCs可減少胸部腫瘤放射性肺炎的發生，減少肺轉移的發生率。因此，應用MSCs治療ARDS患者還需進一步長期隨訪觀察。Yan等[28]研究放療后的小鼠給予靜脈注射MSCs治療后發現：在放療早期給予MSCs，其可分化為有功能的肺細胞，而在放療后期如60 d或120 d時給予MSCs則參與纖維化的形成。但臨床部分ARDS患者在早期即可出現肺纖維化[1]，因此，對于此部分患者是否可以應用MSCs需進一步研究。

綜上，MSCs治療ARDS是一種基于干細胞的有希望的療法，但關于注射應用方式、時間和劑量，如何與其他治療手段相結合及選擇適應證，長期效果如何等問題仍有待解決。相信隨著研究的深入，上述問題會一一獲得解決，最終使干細胞療法造福于ARDS患者。

[1] Thille AW,Esteban A,Fernández-Segoviano P,et al.Chronology of histological lesions in acute respiratory distress syndrome with diffuse alveolar damage:a prospective cohort study of clinical autopsies[J].Lancet Respir Med,2013,1(5):395-401.

[2]Ranieri VM,Rubenfeld GD,Thompson BT,et al.Acute respiratory distress syndrome:the Berlin Definition[J].JAMA,2012,307 (23):2526-2533.

[3]Bellani G,Laffey JG,Pham T,et al.Epidemiology,Patterns of Care,and Mortality for Patients With Acute Respiratory Distress Syndrome in Intensive Care Units in 50 Countries[J].JAMA,2016,315(8):788-800.

[4]Matthay MA,Ware LB,Zimmerman GA.The acute respiratory distress syndrome[J].J Clin Invest,2012,122(8):2731-2740.

[5]Lee JW,Krasnodembskaya A,McKenna DH,et al.Therapeutic effects of human mesenchymal stem cells in ex vivo human lungs injured with live bacteria[J].Am J Respir Crit Care Med,2013,187(7):751-760.

[6]Wilson JG,Liu KD,Zhuo H,et al.Mesenchymal stem (stromal) cells for treatment of ARDS:a phase 1 clinical trial[J].Lancet Respir Med,2015,3(1):24-32.

[7]Pardo-Saganta A,Tata PR,Law BM,et al.Parent stem cells can serve as niches for their daughter cells[J].Nature,2015,523:597-601.

[8]Horie S,Masterson C,Devaney J,et al.Stem cell therapy for acute respiratory distress syndrome:a promising future?[J].Curr Opin Crit Care,2016,22(1):14-20.

[9]Moretti P,Hatlapatka T,Marten D,et al.Mesenchymal stromal cells derived from human umbilical cord tissues:primitive cells with potential for clinical and tissue engineering applications[J].Adv Biochem Eng Biotechnol,2010,123:29-54.

[10]Lazarus HM,Haynesworth SE,Gerson SL,et al.Ex vivo expansion and subsequent infusion of human bone marrow-derived stromal progenitor cells (mesenchymal progenitor cells):implications for therapeutic use[J].Bone Marrow Transplant,1995,16(4):557-564.

[11]Wang S,Qu X,Zhao RC.Clinical applications of mesenchymal stem cells[J].J Hematol Oncol,2012,5(1):19.

[12]Gupta N,Krasnodembskaya A,Kapetanaki M,et al.Mesenchymal stem cells enhance survival and bacterial clearance in murine Escherichia coli pneumonia[J].Thorax,2012,67(6):533-539.

[13]Asmussen S,Ito H,Traber DL,et al.Human mesenchymal stem cells reduce the severity of acute lung injury in a sheep model of bacterial pneumonia[J].Thorax,2014,69(9):819-25.

[14]McAuley DF,Curley GF,Hamid UI,et al.Clinical grade allogeneic human mesenchymal stem cells restore alveolar fluid clearance in human lungs rejected for transplantation[J].Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol,2014,306(9):L809-L815.

[15]Hayes M,Masterson C,Devaney J,et al.Therapeutic efficacy of human mesenchymal stromal cells in the repair of established ventilator-induced lung injury in the rat[J].Anesthesiology,2015,122(2):363-373.

[16]Devaney J,Horie S,Masterson C,et al.Human mesenchymal stromal cells decrease the severity of acute lung injury induced by E.coli in the rat[J].Thorax,2015，70(7):625-635.

[17]Zheng G,Huang L,Tong H,et al.Treatment of acute respiratory distress syndrome with allogeneic adipose-derived mesenchymal stem cells:a randomized,placebo-controlled pilot study[J].Respir Res,2014,15(1):39.

[18]劉慧瑩.臍帶間充質干細胞及氣體治療急性肺損傷的實驗研究[D].北京：中國人民解放軍軍事醫學科學院，2014.

[19]彭珊珊，淦鑫，鐘良英，等.高頻振蕩通氣聯合骨髓間充質干細胞移植對急性呼吸窘迫綜合征保護作用的實驗研究[J].中國急救醫學，2013，33(11)：1025-1028，1057.

[20]曹惠鵑.脂肪干細胞聯合鹽酸戊乙奎醚對脂多糖誘導的急性肺損傷大鼠Ang-1/Tie2表達的影響[D].沈陽：中國醫科大學，2014.

[21]胡淑玲，劉艾然，楊毅，等.間充質干細胞旁分泌機制在ARDS治療中的研究進展[J].中華醫學雜志，2015，95(19)：1544-1546.

[22]Zhu YG,Feng XM,Abbott J,et al.Human mesenchymal stem cell microvesicles for treatment of Escherichia coli endotoxin-induced acute lung injury in mice[J].Stem Cells,2014,32:116-125.

[23]Monsel A,Zhu YG,Gennai S,et al.Therapeutic effects of human mesenchymal stem cell-derived microvesicles in severe pneumonia in mice[J].Am J Respir Crit Care Med,2015,192:324-336.

[24]Gennai S,Monsel A,Hao Q,et al.Microvesicles derived from human mesenchymal stem cells restore alveolar fluid clearance in human lungs rejected for transplantation[J].Am J Transplant,2015,15:2404-2412.

[25]Tolar J,Nauta AJ,Osborn MJ,et al.Sarcoma derived from cultured mesenchymal stem cells[J].Stem Cells,2007,25(2):371-379.

[26]Corcoran KE,Trzaska KA,Fernandes H,et al.Mesenchymal stem cells in early entry of breast cancer into bone marrow[J].PLoS ONE,2008,3(6):e2563.

[27]Klein D,Schmetter A,Imsak R,et al.Therapy with multipotent mesenchymal stromal cells protects lungs from radiation-induced injury and reduces the risk of lung metastasis[J].Antioxid Redox Signal,2016,24(2):53-69.

[28]Yan X,Liu Y,Han Q,et al.Injured microenvironment directly guides the differentiation of engrafted Flk-1+ mesenchymal stem cell in lung[J].Exp Hematol,2007,35(9):1466-1475.

(編校：王儼儼)

Progress of mesenchymal stem/stromal cells therapy in acute respiratory distress syndrome

XING Xue-zhong, GAO YongΔ, WANG Hai-jun, QU Shi-ning, HUANG Chu-lin, YANG Quan-hui

(Department of Intensive Care Unit, National Cancer Center/Cancer Hospital of Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Beijing 100021, China)

Acute respiratory distress syndrome (ARDS) has a mortality rate over 40%, and many pharmaceutical therapies have not been shown to improve the outcomes of ARDS.In recent years, animal experiments andinvitrohuman perfused lung experiments demonstrated that mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) therapy could increase alveolar fluid clearance, alleviate inflammation.A phase 1 clinical trial validated the safety of MSCs therapy on ARDS patients.An ongoing phase 2 trial (NCT01775774) will determine the effective of MSCs therapy.Although in its beginning period, cell based MSCs therapy provides a promising treatment for ARDS.Here, we briefly review the current status of MSCs therapy for ARDS, including the animal experiments, clinical trials, mechanisms and debates.

acute respiratory distress syndrome; mesenchymal stem/stromal cells therapy; progress

10.3969/j.issn.1005-1678.2016.07.07

邢學忠，男，副主任醫師，研究方向：腫瘤術后的基礎與臨床研究，E-mail：xingxzh2000@aliyun.com；高勇，通信作者，男，副主任醫師，E-mail：2354839907@qq.com。

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