臍帶間充質干細胞治療核輻射傷的技術研究

高 萌，王前虹，郭德鑌，潘興華

作者單位：510500廣州，南方醫科大學第三附屬醫院(高 萌)；解放成920醫院細胞生物治療中心,干細胞與免疫細胞生物醫藥技術國家地方聯合工程實驗室，云南省細胞治療技術轉化醫學重點實驗室，云南省干細胞工程實驗室，昆明醫科大學昆明總醫院臨床學院(郭德鑌，潘興華)；解放軍32603部隊（王前虹）

核輻射傷主要通過電離輻射造成遺傳基因、生物大分子結構破壞和組織細胞變性、壞死，從而引起組織器官功能障礙。人們對核輻射傷的發生、發展機制已經解析的比較透徹，但尚沒有找到理想的治療辦法[1]。筆者研究室對人臍帶間充質干細胞（UCMSC）注射液治療輻射傷進行了系統的療效、機制和安全性研究，證實UCMSC可通過定植分化、分泌細胞因子和外分泌體等機制促進核輻射傷導致的基因和蛋白分子損傷修復、抑制炎癥、減少組織細胞死亡、改善血液循環、提高抗氧化應激能力等促進損傷修復[2]。

1 核輻射傷的危害及損傷特點

核輻射傷是嚴重威脅人類生命的核危害之一，在戰爭發展到極限程度時，使用核武器是扭轉戰局的可能選擇，例如第二次世界大戰末期美國向日本長崎、廣島投放原子彈，當日造成10萬人死亡，之后導致40萬人死于核輻射傷誘發的癌癥等。在和平時期，核泄露事件常有發生，核動力、核電廠、核反應堆等大型核設施發生意外事故，可能造成大批人員遭受核輻射損傷及嚴重污染環境，對公眾健康造成危害，如1986年的切爾諾貝核電站爆炸事件波及人口320萬，之后10年有30萬人死于核輻射誘發的疾病，歐洲有3/4的土地受到放射性污染；2011年的日本福島核泄漏事件中，有80%以上放射性物質進入海洋，給大氣和海洋環境造成了災難性后果，已有關于救援人員患白血病、污染區域甲狀腺癌發病率上升及對動物遺傳威脅的報道。此外，核恐怖襲擊是恐怖組織威脅人類生命的重要方法之一。

核輻射傷的特點是損傷廣泛,臨床表現復雜，造成造血功能障礙、出血和感染，涉及基因斷裂、突變，大分子功能蛋白的破壞、細胞水平的損傷、組織器官水平的結構破壞等，常規的藥物治療作用微乎其微。急性輻射傷的特征是造血和免疫抑制、貧血和血小板減少。核輻射傷主要由于輻射能量導致機體內生物大分子化學鍵斷裂，自由基等活性物質大量生成，造成組織細胞不可逆損害[3]。長期超劑量的照射，可引起慢性皮膚損傷、造血障礙、白內障等。常見的輻射傷以外照射為主，其發生、發展水平決定于電離輻射的性質、照射劑量、時間及受照射的身體面積等。在劑量低于1 Gy時，可出現頭暈、乏力、食欲下降等輕微癥狀。劑量在1～10 Gy時，以造血系統損傷為主；劑量在10～50 Gy時，出現以消化道為主的癥狀，若不經治療，在2 w內 100%死亡；輻射劑量＞50 Gy時，出現腦損傷，一般在2 d內死亡。人體各組織對核輻射的敏感順序[4]：（1）高敏組織：骨髓、胸腺、胃腸、性腺、胚胎等，胚胎和胎兒輻射傷可使死胎、畸形、新生兒死亡、白血病和惡性腫瘤的發生率升高；（2）中敏組織：角膜、晶狀體、結膜、血管、淋巴管、血竇、皮膚等；（3）低敏組織：中樞神經、性腺以外的內分泌腺等；（4）敏感最差組織：肌肉、軟骨、骨和結締組織等，成人核輻射傷后易患惡性腫瘤，發病率隨劑量增加而增高，可導致晶體渾濁、白內障、生殖腺受損。

2 UCMSC治療核輻射傷的原理

核輻射傷主要由α、β、γ、X射線和中子等電離輻射引起物質電離所致，可導致細胞內染色體損傷，表現為基因斷裂、堿基序列錯配、缺失等，一定程度的損傷可以通過啟動體內的損傷修復機制得以修復，但輻射能量超過人體的修復代償能力時，則可導致隨機性的基因突變[5]。大劑量的電離輻射還可造成細胞內蛋白分子的化學鍵斷裂和結構破壞，從而引起細胞功能變化。核輻射可引起染色體畸變、細胞分裂能力下降和變性、壞死。分裂活動越活躍的細胞對核輻射的敏感性越高，如生殖細胞、淋巴細胞、造血細胞等[6]。分裂活動越不活躍的細胞，對核輻射的敏感性越差，如神經細胞、骨細胞等。由于細胞是維持體人結構與功能正常的基本單元，核輻射傷的治療關鍵是設法修復受損的基因、蛋白分子，保護和再生組織細胞。從理論上講，UCMSC治療核輻射傷是一種完美的策略，它可通過直接參與分泌細胞因子、外泌體等，在遺傳、分子和細胞水平修復輻射損傷，更新、補充受損組織中的壞死細胞。UCMSC治療核輻射傷的原理和作用[7]：（1）受輻射傷組織因子引導向核輻射傷組織遷移、定植和向損傷組織的功能細胞分化，直接參與輻射傷組織的結構與和功能重建；（2）通過直接接觸和分泌炎癥抑制因子，抑制輻射傷組織的炎癥反應，防治炎性繼發性損傷；（3）動態分泌多種生長因子和釋放外分泌體，促進損傷組織中的殘存細胞分裂、增殖，促進損傷修復；（4）通過分泌細胞因子而動員內源性干細胞促進損傷組織的細胞再生；（5）通過遷移、向血管內皮細胞分化和分泌血管生長因子促進損傷組織的血管再生，從而改善損傷組織的血液循環和代謝功能；（6）通過細胞因子和外分泌體之作用，提高輻射傷組織細胞的自噬能力和自我修復功能，減少細胞凋亡，抑制組織損傷的發展；（7）通過細胞自噬機制及快速啟動HR和NHEJ途徑修復DNA斷裂雙鍵；（8）通過細胞間相互作用、旁分泌、抑制炎癥與免疫反應等維護造血微環境穩態，保護與支持造血干細胞，從而有效修復造血損傷。UCMSC對核輻射傷發揮治療作用的機制涉及UCMSC直接參與、分泌細胞因子和外分泌體促進修復、調節炎癥與免疫等，分別給予UCMSC、UCMSC分泌因子或外分泌體也有一定治療效果，說明UCMSC的療效是多種因素綜合作用的結果[8]。

3 UCMSC治療核輻射傷的優勢

在各種干細胞中“成藥”性能最強，可以規模化、工廠化、標準化生產、儲存和使用。UCMSC的免疫原性較低，同種異體、甚至是異種UICMS治療，無明顯免疫排斥反應，無需進行基因配型。可在基因、生物大分子、細胞、組織和器官等不同層次發揮修復作用，對急、慢性核輻射傷均有治療意義。在核戰爭或核事故發生時后出現批量核輻射傷的傷員時，UCMSC可以像戰場急救輸血那樣緊急提供使用。

4 核輻射傷救治中UCMSC的來源

急性核輻射傷通常是瞬間發生，用于治療的UCMSC應來源于提前制備并經質量檢驗合格后儲存備用的細胞庫，對于慢性核輻射治療的UCMSC可以來源于細胞庫，也可以現制現用。建議軍隊以戰區總醫院或軍隊采供血機構為基礎，建立軍用UCMSC儲備庫，以備突發大批量核輻射傷緊急救治使用。因為UCMSC的儲存、運輸需要特殊的環境條件，可能在復蘇、運輸等環節延遲或差錯而嚴重影響UCMSC質量，建立UCMSC儲備庫還可以節約成本和時間。對用于慢性核輻射傷治療的UCMSC，可以實驗室現制現用，也可以來源于UCMSC儲存庫，但應在使用前進行快速質量檢測，以保證療效和安全。

5 UCMSC治療核輻射傷的治療方法

影響UCMSC治療核輻射傷的療效的影響因素主要有UCMSC的來源和質量、治療時機、劑量、次數、傷員接受輻射的劑量、損傷程度及傷員的身體素質等，在具體實施過程中，應根據傷情嚴重程度和損傷位置，綜合考慮并確定治療方案。（1）治療途徑：急性全身性核輻射傷的UCMSC治療通常采用靜脈注射法，對局部核輻射傷也可采用靜脈輸注法，但采用局部定位注射法更精準、有效，如體表輻射傷可根據實際采用皮內或皮下注射法，對已經形成的創面可采用噴灑法；對于慢性核輻射傷，可根據損傷組織的嚴重程度采用定位注射或介入治療法。（2）治療劑量和療程：UCMSC治療和輻射傷存在一定量效關系，國內外UCMSC臨床研究報道的使用劑量從 1×（106～108）細胞/kg不等，療效差異較大，估計與不同來源的UCMSC質量有關。根據UCMSC治療輻射傷動物模型研究及安全性評價結果，安全和有效劑量在 1×（106～107）細胞/kg之間。 因此，建議通過靜脈輸入UCMSC治療急、慢性核輻射傷的劑量為1×106細胞/kg到 5×106細胞/kg，1次/2 d，連續 3次為一個療程。局部定位或介入治療的劑量為1×107細胞/次。（3）療效評價[9]：輻射傷動物模型治療實驗顯示，在放射線照射后2 h內實施UCMSC治療，可顯著減低半致死量照射樹鼩和大鼠的病死率，延長存活時間；而照射后24 h進行UCMSC治療，對降低病死率影響不明顯，表明應及早實施。UCMSC治療對輻射造成的造血功能障礙和白細胞減少，在急性期無顯著保護和促進作用，但可促進造血恢復，治療后1個月左右，外周血白細胞和血小板數量顯著高于對照。UCMSC可顯著抑制輻射誘導的急性炎癥反應水平，降低血漿中IL-1、TNF-α等炎癥因子的含量，改善胃腸和肺功能，縮短皮膚、骨及肝、腎組織損傷的恢復時間。UCMSC治療能否降低遺傳基因突變的發生率和減少輻射誘導的惡性腫瘤發生尚待深入研究。（4）輔助治療：造血系統對核輻射極為敏感，核輻射傷員極易出現造血障礙和免疫細胞減少，從而誘發肺、胃腸道及全身性損傷，因此，抗感染治療應貫穿于急性核輻射傷治療的始終。營養支持治療、補充體液、調節體液平衡等是和輻射傷治療的常規措施，對輔助UCMSC治療也有較大幫助。（5）聯合治療：在對輻射傷員實施造血干細胞移植的同時進行UCMSC治療，可顯著提高HSC移植率，有效預防和降低移植免疫排斥反應。在實施UANSC治療的同時，輔以粒-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)、血小板生成素（TPO）、白介素 -3/6(IL-3/IL-6)、干細胞生長因子（SCF）等治療，能有效提高輕、中度放射性骨髓損傷。

6 問題與展望

核輻射傷的發生、發展涉及遺傳基因、生物大分子、細胞等不同層次的結構破壞，常規藥物難以達到有效治療目的[10]。UCMSC治療可通過定植分化、分泌細胞因子和外分泌體等對核輻射傷發揮從分子到器官的多重生物效應。目前，UCMSC的制備技術已經成熟，解決了UCMSC用于損傷、退變、炎癥等疾病治療的臨床前關鍵技術和理論問題，進一步的研究重點是進行臨床療效驗證和改進技術方法。在UCMSC治療核輻射傷方面，需要闡明：UCMSC在體內的遷移、定植、分化、整合及長期存活等基本過程和規律；修復基因和生物大分子結構的作用和機制；UCMSC及其分泌的細胞因子、外分泌體在療效發揮中的作用和機制；長期實驗觀察UCMSC在防治核輻射誘發基因突變和惡性腫瘤中的作用和機制；UCMSC治療核輻射傷的量效關系及方法需要進一步優化，用于大規模救治的技術需要標準化和實戰化檢驗。總之，UCMSC在核輻射傷治療中的應用價值不容置疑，隨著UCMSC研究技術的發展，將在核武器傷等高新技術武器傷救治中發揮作用。