骨髓間充質干細胞在肺纖維化中作用的研究進展

劉俊香 李魯新 趙孝金 左魁陽 楊艷娜 武 艷

黑龍江省牡丹江醫學院醫藥研究中心，黑龍江牡丹江157011

骨髓間充質干細胞在肺纖維化中作用的研究進展

劉俊香 李魯新 趙孝金 左魁陽 楊艷娜 武 艷▲

黑龍江省牡丹江醫學院醫藥研究中心，黑龍江牡丹江157011

肺纖維化是多種病因引起一種慢性炎癥間質性肺疾病。臨床經驗證實，激素、免疫抑制劑、細胞毒藥物、抗纖維化藥物以及免疫調節劑等藥物治療對肺纖維化療效并不理想。因此探明肺纖維化的發病機制進而尋找有效的治療方法顯得尤為重要。近年來骨髓間充質干細胞移植作為新型的生物治療方法已成為醫學領域中最熱門的研究課題之一，研究表明骨髓間充質干細胞可通過抑制炎性反應、促進上皮組織修復、減少膠原沉積、抑制基質金屬蛋白酶的表達等來減輕肺纖維化，其憑借特有的生物學特性及功能成為治療肺纖維化的種子細胞。但有些研究則發現骨髓間充質干細胞植入時機與療效的差異具有相關性。因此本文就骨髓間充質干細胞在肺纖維化中的作用作一綜述。

骨髓間充質干細胞；肺纖維化；成纖維細胞；肺泡損傷

肺纖維化為慢性進展性、消耗性疾病，致死率較高，預后差，確診后平均生存年限均小于5年。近年來患病率逐年升高，每10萬人患病例數從6.8例增加至16.3例，其最終導致肺功能喪失呼吸衰竭，嚴重影響人們的生活［1］。引起肺間質纖維化的危險因素眾多，其中主要包括吸入灰塵、粉塵、煙塵；長期大量吸煙；服用或接觸胺碘酮、博來霉素等相關藥物；以及基礎疾病如結締組織或血管炎性疾病等［2］。當外界危險因素作用于機體后至肺纖維化形成大概可分為3個階段：①急性肺毒性階段：即外界毒性刺激可引起DNA雙鏈的斷裂，并且引起肺泡上皮細胞凋亡和壞死；②炎癥階段：免疫細胞進入肺內并且釋放各種各樣的可促進肺纖維化形成的細胞因子；③膠原蛋白沉積階段：當肺纖維化發生時，正常的肺間質增大，被增殖的纖維母細胞和平滑肌細胞填充，基質金屬蛋白酶表達增高并且參與受損肺組織結構的重建。研究表明，骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）移植可對損傷的肺組織具有保護作用，并且通過阻斷肺纖維化形成的信號通路來抑制纖維化的發生［3］。本文將通過以下幾個方面具體介紹BMSCs在肺纖維化中的作用。

1 骨髓間充質干細胞的生物學特性

當肺組織損傷時，BMSCs可感知損傷信號，并且遷移并定植到受損組織參與組織損傷與修復。經尾靜脈或器官移植的BMSCs可定植于肺、心、脾、肝、小腸等器官，并且可最早、最大量的定植于肺組織。Lee等［4］研究表明，經小鼠尾靜脈注射熒光標記的BMSCs，可檢測到BMSCs在肺臟組織內的遷移和定植率是最高的，1 h后可高達83%，24 h定植率為42%，隨時間延長含量降低，而在心臟、脾臟、肝臟、小腸1 h定植含量小于1%，24 h后含量幾乎為零。Zangi［5］實驗研究也得到類似結果。在博來霉素誘導的肺纖維化小鼠模型中發現，受損肺組織部位的細胞可產生一種可溶性細胞因子如粒細胞巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）、粒細胞集落刺激因子（G-CSF）等調節骨髓池中的干細胞數量，從而通過SDF-1/CXCR4軸刺激BMSCs增殖并且遷移至損傷的肺組織，發揮減輕博來霉素導致的肺組織損害的作用。BMSCs的這種可感知受損信號并遷移至損傷部位的功能為其在肺纖維化中的運用提供理論基礎。

2 骨髓間充質干細胞可分化為Ⅱ型肺泡上皮細胞

BMSCs具有多向分化潛能，體外培養發現，在不同的培養條件下BMSCs可增殖分化為不同類型細胞，如Ⅱ型肺泡上皮細胞，來參與受損組織的修復［6］。肺部上皮細胞分為Ⅰ型、Ⅱ型肺泡上皮細胞，正常情況下Ⅰ型肺泡上皮細胞只占肺泡上皮細胞群的40%左右，其主要作用為水和離子的轉運、宿主防御、腫瘤抑制；其余為Ⅱ型肺泡上皮細胞，其除了可以合成和分泌肺泡表面活性物質、細胞因子、生長因子受體、酶及其他基質蛋白外，還能在肺泡上皮損傷后增殖分化成為Ⅰ型肺泡細胞對肺組織進行修復，Ⅱ型肺泡上皮細胞具有干細胞的功能，可參與肺的損傷與修復，有“修復細胞”的美譽［7-8］。在肺纖維化發生早期階段，外界有毒物質刺激使肺泡結構受損，Ⅱ型肺泡上皮細胞損傷、凋亡和壞死，這也是肺纖維化早期重要的特征，當其出現過度凋亡時就容易造成肺組織修復異常，從而導致肺纖維化的發生和肺實質的重構［9］。肺纖維化發展過程中，MSCs可分化為Ⅱ型肺泡上皮細胞，并且在一定程度上修復受損肺組織部位的干細胞池［10］，使肺泡表面受損的肺泡上皮細胞來源增加，從而增加其損傷修復能力從而來緩解肺纖維化的發生。同時BMSCs還具有抗肺上皮細胞凋亡作用，它能抑制促凋亡蛋白Bax的表達，減少肺損傷的Ⅱ型肺泡上皮細胞的凋亡［11-12］。當Ⅱ型肺泡上皮細胞出現過度凋亡時容易造成肺組織修復異常，從而導致肺纖維化的發生和肺實質的重構，而BMSCs可阻斷該過程的發生對肺組織具有保護作用。

3 骨髓間充質干細胞抑制炎性反應及旁分泌功能

在肺纖維化早期階段，BMSCs可通過抑制前炎癥信號通路和上調抗炎通路來保護受損的肺組織［13-14］。Oriz等［15］報道稱，BMSCs可產生高水平的IL-1受體拮抗劑，從而阻斷IL-1的前炎癥細胞因子，降低前炎癥細胞因子、血管生成因子、一氧化氮等。同時MSCs可降低支氣管肺泡灌洗液中的巨噬細胞炎癥蛋白-2和TNF-α水平來保護受損的肺部組織，并且提升血漿和支氣管肺泡灌洗液中的IL-10的水平。IL-10為單核細胞分泌的一種抗炎細胞因子，它可下調T1細胞因子的表達［16-17］。在博來霉素誘導的肺纖維化發生時，BMSCs可通過分泌IL-1ra細胞因子來降低纖維化后期膠原蛋白的堆積和基質金屬蛋白酶的水平［18］。IL-1ra是一種細胞因子，在肺部損傷時，它能夠和主要的炎癥因子IL-1β和IL-1特異性的競爭受體，發揮抗炎效應。在博來霉素誘導的肺纖維化早期，由于博來霉素的刺激作用，大量細胞因子如INF-α、IL-2、IL-1β、IL-4水平升高，BMSCs移植后可大大降低這些細胞因子的水平，從而減弱和抑制炎性反應，緩解肺纖維化的發生。另外，BMSCs還具有旁分泌多種細胞因子的功能，如肝細胞生長因子、干細胞因子、基質源因子1α、轉化生長因子-β、腫瘤壞死因子-α等，調節促炎/抗炎因子的平衡，進而來調節內皮細胞和上皮細胞的通透性，降低炎性反應，加強組織修復［19-20］。并且BMSCs本身具免疫原性，可減輕宿主的免疫排斥反應，進而減弱肺纖維化發生時的炎性反應，起到保護肺組織的作用。

4 骨髓間充質干細胞對肌成纖維細胞活化和細胞外基質的影響

肺纖維化的典型表現為進行性的細胞外基質沉積，肺間質增多，肺組織結構破壞，肺功能逐步喪失［21］。肌成纖維細胞活化是肺纖維化發生的關鍵環節，高表達α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA），肌成纖維細胞來源主要由上皮-間質轉化和原位成纖維細胞的激活與轉化［22-23］。TGF-β在促進肌成纖維細胞活化中起關鍵作用。外源性的移植BMSCs可阻斷TGF-β/Smad通路，來減少肌成纖維細胞活化，進而抑制肺纖維化的進程［24-25］。博來霉素誘導的肺纖維化動物模型肺組織高表達基質金屬蛋白酶如MMP2、MMP9、MMP3使膠原蛋白堆積，早期經尾靜脈注射BMSCs可減少成纖維細胞向肌成纖維細胞的轉化，并抑制基質金屬蛋白酶的表達，從而降低膠原蛋白的沉積，減緩肺纖維化。

5 骨髓間充質干細胞或可誘導加重肺纖維化

一些學者認為［26］，BMSCs也許是病理狀態下肺纖維發生時纖維母細胞主要來源。肺纖維化的形成過程十分復雜，其中包括外周血單核細胞分化成的纖維細胞和成纖維細胞樣的祖細胞。體外研究發現［27］，BMSCs可產生Wnt蛋白和TGF-β，從而使成纖維細胞增殖和細胞外基質的形成，這更增加了BMSCs促進纖維母細胞堆積和膠原沉積的可能性。有研究證明［28］一定條件誘導下，BMSCs可向成纖維細胞分化，以表皮生長因子對體外生長的BMSCs進行誘導分化，培養14 d后細胞呈現均一的纖維細胞樣帶有長突起的紡錘形細胞，Ⅰ、Ⅲ型膠原染色均為陽性。He等［29］亦證實在堿性成纖維細胞生長因子的誘導下BMSCs分化為成纖維細胞，如此可以推測臨床上如果在肺纖維部位移植BMSCs，其在局部生長因子刺激下或可直接分化為肺成纖維細胞。也有研究證明在一定條件下BMSCs可分化為肌成纖維母細胞、合成細胞外基質、表達α-SMA，進而促進纖維化的發生［30］。

6 骨髓間充質干細胞植入時機的選擇與療效差異

有學者認為［31-32］，不同時機植入BMSCs對治療肺纖維化的療效不盡相同。崔瑗等［31］的實驗研究為監測不同時間BMSCs對博來霉素誘導的肺纖維化動物模型的影響，實驗發現用博來霉素刺激實驗動物造模后分別于第1天和第7天給予尾靜脈移植BMSCs，對模型動物肺組織病理分析發現，誘導肺纖維化模型后第1天給予干預比第7天給予干預治療效果要明顯；并且在肺損傷第1天給予BMSCs干預治療的動物模型肺組織內可檢測到外源性來源的BMSCs細胞，而在第7天給藥組卻沒有類似結果。分析其原因可能與博來霉素刺激后第7天給予移植BMSCs干預肺臟對BMSCs的趨化作用降低有關。Epperly等［30］的報道證明，損傷后中晚期植入攜帶綠色熒光蛋白基因的BMSCs細胞在接受照射的受體小鼠內經歷了一個從巨噬細胞到成纖維細胞的轉變，該時期正是其肺泡纖維化迅速發展的時期，因此晚期植入BMSCs甚至可能起到促進肺纖維化作用。由上可以得出這樣的結論BMSCs對于肺纖維的治療作用有可能越是在肺組織損傷的早期移植MSCs，其控制肺纖維化的效果越好。

目前BMSCs移植在肺纖維化治療中作用效果的研究仍未定論，綜合現有文獻結論筆者認為，在肺纖維早期肺泡上皮損傷及炎癥階段BMSCs通過其自身的優勢可發揮一定抗纖維化作用；隨著肺纖維化的進程的發展，在肺纖維化中后期BMSCs移植或可加重肺纖維化的程度。因此未來BMSCs移植在肺纖維化治療方面的運用仍需進一步的研究，探明BMSCs移植的最佳時機及移植的最佳劑量并進而研究其作用機制，以期找到治療肺纖維化的合理的治療方案。

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Research progress on the role of bone marrow-mesenchymal stem cell in pulmonary fibrosis

LIU JunxiangLI LuxinZHAO XiaojinZUO KuiyangYANG YannaWU Yan▲
Medical Research Center，Mudanjiang Medical College，Heilongjiang Province，Mudanjiang157011，China

Pulmonary fibrosis caused by various reasons is a chronic inflammatory interstitial lung disease.There are many medicine used in clinic including hormone，immunosuppressor，cytotoxic agents，antifibrotic drug，immunomodulator and so on，but clinical experience confirms that the curative effect is not so good.Therefore，it is important to ascertain the pathogenic mechanism of pulmonary fibrosis，and seek valid treatment method.In recent years，bone marrow-derived mesenchymal stem cell（BMSCs）transplantation as a novel bio-therapy method has become one of the hotest points in the field of medicine.BMSCs may offer the means of recapitulating several mechanisms（inhibiting inflammatory response，promoting epithelial tissue repair，reducing the collagen deposition，inhibiting the expression of matrix metalloproteinases，etc，that are sufficient for alleviating pulmonary fibrosis.And BMSCs could become the seed cells treating pulmonary fibrosis because of the typical biological character.But recent research finds that there are some differences between the opportunity to BMSCs implantation and therapeutic effect.This review will provide an overview on the role of bone marrow-mesenchymal stem cell in pulmonary fibrosis.

Bone marrow-derived mesenchymal stem cell；Pulmonary fibrosis；Fibroblast；Alveolar damage

R256.1

A

1673-7210（2016）07（b）-0034-04

2016-02-27本文編輯：趙魯楓）

國家自然科學基金資助項目（81401599）

▲通訊作者