間充質干細胞(MSC)在輻射損傷救治方面的研究進展

王 利，馬得勛，張 瑞，張 超，高 蕊，劉書鋒

(1.海軍第971醫院嶗山醫療區血液腫瘤科, 山東 青島 266101； 2.海軍第971醫院衛勤訓練中心，山東 青島 266101； 3.火箭軍特色醫學中心，北京 100088; 4.海軍青島特勤療養中心醫訓部， 山東 青島 266071)

隨著核能在軍事及民用領域的廣泛應用，輻射損傷事件的發生機率逐漸增大[1]，放療、醫源性過量照射、放射源意外丟失等均可能引起受照機體的輻射損傷。輻射不僅能造成機體造血、免疫系統、胃腸道、肺、腦、心臟、皮膚、血管等組織器官的損傷[2]，而且對受照個體的心理產生嚴重負面影響。研究者們一直致力于探索高效輻射損傷救治策略。

造血刺激因子及造血干細胞移植目前仍是治療輻射損傷常用的方法。對于受照劑量小、造血功能受損不嚴重的機體，造血刺激因子刺激造血效果顯著。但對于受照劑量大、殘存造血干細胞不足以重建造血的機體，需要進行造血干細胞移植以重建機體的造血功能。受照劑量大于8 Gy的輻射損傷病人，重建造血是救治的重點，但不是終點，如何在重建造血的基礎上，修復受損組織器官的功能是輻射損傷救治過程的重點及難點。

間充質干細胞(mesenchymal stem cell，MSC)來源于胚胎發育的中胚層，具備自我更新能力，能夠分化為骨、軟骨、脂肪等中胚層來源組織，具備低免疫原性及獨特的免疫調節功能[3]。作為骨髓龕的重要組成成分，MSC具備造血支持功能[4]，并且MSC能夠歸巢至受損組織部位，分化替代損傷組織，或通過分泌細胞因子、生長因子、胞外微囊(extracellular vesicle，EV)等方式發揮免疫調節及組織修復作用[5-6]。

鑒于MSC適于異體輸注及上述多重功效，研究者們一直致力于將MSC應用于輻射損傷的救治，以期解決輻射損傷后機體造血重建、組織修復兩方面的重點及難點問題[7-8]。近年來MSC在輻射損傷救治方面的研究取得了一些新進展，本文就此作一綜述，以期為輻射損傷救治方面的研究者提供一些參考。

1 MSC促進輻射損傷后造血恢復

機體造血系統對輻射較為敏感，全身照射劑量超過1 Gy時機體就會出現較為明顯的造血系統癥狀。大劑量照射時患者會出現嚴重的白細胞、血小板減少，明顯增加患者致死性感染及出血風險。目前粒細胞集落刺激因子、粒巨噬細胞集落刺激因子等細胞因子是促進受照后造血恢復的常用手段。但在較大劑量受照情況下，機體內殘留造血干細胞(hematopoietic stem cell，HSC)很少或缺如，細胞因子難以發揮理想效果。造血干細胞移植(HSC transplantation，HSCT)仍是治療重度以上急性放射病患者的常用方法，但HSCT對醫療技術、設備及干細胞來源的要求性比較高，難以大范圍推廣應用。

MSC能夠調節造血微環境，并分泌白細胞介素(Interleukin，IL)-6、IL-7、IL-8、IL-11、IL-14、IL-15、粒細胞、巨噬細胞集落刺激因子、干細胞因子等一系列細胞因子，促進體內殘留造血干細胞的增殖、分化及成熟，促進受照后機體造血恢復。受致死劑量射線照射的動物輸注MSC后骨髓中細胞計數增高，生存率增加[9]。MSC還能通過減輕受照后氧化損傷程度，促進造血重建[10]。MSC與造血干細胞共輸注時，造血干細胞植入及造血重建更快[11]。

Lee等[12]研究顯示，將MSC與臍血干細胞共移植，中性粒細胞及血小板植入時間較單純臍血移植明顯提前，且MSC組無植入失敗發生。LIU等[13]研究顯示，單倍體造血干細胞移植時使用MSC，血小板達到50×109/L的時間顯著提前。國內2008年“太原事故”中，一例受到14.5 Gy γ射線照射的患者，接受HLA不相合外周血干細胞及MSC共移植后，患者造血恢復，放射性皮膚潰瘍逐漸愈合，但后期患者出現腸梗阻，最終死于多器官功能衰竭[14]。提示大劑量射線照射后，盡管HSCT能夠重建患者造血，但輻射所致多組織器官的損傷是輻射損傷救治過程中更需要關注的問題，需要更多的研究予以解決。

2 MSC促進輻射損傷后胃腸道等組織器官修復

全身照射劑量超過7 Gy就會引起患者較為明顯的胃腸道癥狀。輻射引起腸黏膜隱窩細胞、免疫細胞等損傷，導致腸黏膜屏障功能的破壞及免疫調節失常，使患者致死性細菌感染風險增加。對于有嚴重組織損傷、臟器功能受損的大劑量輻射傷員而言，HSCT在解決造血重建的基礎上，未能解決組織修復問題，且在批量大劑量輻射傷員出現時，大規模進行HSCT難度可想而知。

MSC能夠修復輻射損傷后腸黏膜隱窩干細胞的微環境，并促使殘留隱窩干細胞增殖，促進隱窩細胞及腸黏膜上皮細胞的再生；MSC能分泌血小板源性生長因子、成纖維細胞生長因子等細胞因子及抗炎性細胞因子；此外MSC能夠通過抗氧化及抗炎作用保持受照后血管內皮功能[15]，MSC通過上述多種機制共同作用促進輻射受損腸黏膜的修復。研究發現MSC能促進輻射損傷后腸絨毛的修復，提高大劑量受照后動物的存活率[16]。通過基因手段上調MSC表面趨化因子受體，增強其向受損組織的歸巢能進一步增加MSC療效，如過表達CXCL12的MSC促進輻射損傷腸黏膜上皮細胞的修復，延長受照后動物的生存期[17]。

MSC能通過恢復抗氧化酶超氧化物歧化酶水平，減輕受照后內皮細胞的損失及血管損傷，減輕輻射對肺臟的損傷程度[18]。比格犬受15 Gy X射線照射后，與對照組相比，MSC治療組比格犬動脈血氧分壓高，羥脯胺酸及β轉化生長因子減低，α轉化生長因子水平上升，肺組織超氧化物歧化酶水平增高，腫瘤壞死因子-α、IL-1降低，CT及病理檢查顯示MSC治療后比格犬肺損傷程度較輕[19]。MSC不僅能夠減輕輻射早期肺損傷，而且能減輕后期肺纖維化程度[20]，受照后越早使用MSC對放射性肺損傷的治療效果越好[21]。

輻射能增加血管通透性，引起白細胞外滲、微血栓形成及血管內皮細胞的凋亡，還能引起大血管動脈粥樣硬化、狹窄、阻塞等病理改變。動物實驗顯示輻射能使小鼠主動脈細胞凋亡及纖維化重組，引起主動脈增厚，膠原蛋白累積，TGF-β等促纖維化細胞因子、TNF-α等炎癥分子、氧化應激指標上升。MSC能夠減輕輻射引起的上述病理變化，上調抗氧化酶HO-1及過氧化氫酶水平，抑制主動脈氧化應激水平及炎癥反應[22]。

3 MSC促進輻射損傷后皮膚、黏膜損傷的修復

輻射引起皮膚灼傷的程度依射線種類、劑量水平、照射時間、照射部位等因素而異。事故照射或醫源性放療后均能引起不同程度的皮膚灼傷。盡管外科手術技術及常規燒傷治療方法取得了長足進展，但由于輻射與常規燒傷引起的皮膚損傷存在病理生理方面的差異，大劑量照射引起的重度皮膚灼傷治療效果仍不滿意。

MSC能夠減少皮膚輻射損傷部位炎性細胞浸潤，減少細胞壞死，促進肉芽組織形成、角質細胞增殖及角蛋白生成，并促進新生血管形成，加快輻射灼傷皮膚的修復[23-24]。MSC培養液能促進人臍帶血管內皮細胞的增殖，也能夠促進動物受照后皮膚損傷的修復，其整體效果優于表皮生長因子[25]。2014年“南京事故”中一名人員誤拾192Ir后出現右下肢Ⅳ度急性放射性皮膚損傷，于皮瓣移植術后兩次靜脈輸注MSC，輸注后患者外周血及受損皮膚組織中血管內皮生長因子受體水平明顯增高，患者病情逐漸好轉，提示MSC治療放射性皮膚損傷是安全有效的[26]。

輻射還會引起黏膜、腺體等組織損傷，影響患者進食、吞咽等功能，使患者生活質量下降，嚴重者引起營養不良及致命感染。局部應用MSC會引起局部微環境的破壞，并且難以廣泛作用于輻射損傷的其他黏膜組織；靜脈輸注MSC能夠起到全身性的抗炎、組織修復等作用，但擴增后MSC部分趨化因子受體表達水平下降，歸巢至炎癥及組織損傷部位能力下降。CXCR2過表達的MSC歸巢至輻射損傷炎癥部位能力增強，能夠抑制促炎性細胞因子及活性氧的產生，促進輻射損傷黏膜潰瘍的愈合[27]。

MSC對輻射損傷皮膚的修復作用一方面來源于MSC歸巢至皮膚損傷部位促進細胞的增殖分化，另一方面MSC能夠分泌血管內皮生長因子、血管生成素、胰島素樣生長因子、轉化生長因子等一系列細胞因子，加快新生血管的生成、灌注，減輕損傷部位炎癥反應，刺激成纖維細胞增殖、遷移、分化，并促進皮脂腺、汗腺等腺體及肌肉組織的修復[28]，多種機制共同促進輻射損傷皮膚的修復。近期一項納入30例患者的隨機對照臨床試驗顯示，MSC能增強放射性口腔干燥癥患者唾液腺的分泌功能，改善患者口渴、食用固體食物不適等臨床癥狀，且無不良事件發生[29]，證實臨床使用MSC治療放射性損傷是安全有效的。

4 MSC救治輻射損傷研究趨勢

近年來研究發現MSC通過直接分化發揮組織修復作用有限，通過釋放包括血管內皮生長因子、肝細胞生長因子、胰島素樣生長因子、成纖維細胞生長因子等一系列細胞因子可能是MSC發揮作用的重要機制，尤其EV是MSC旁分泌機制中非常重要的一種物質。MSC-EV能夠選擇性轉載MSC來源mRNA、microRNA、蛋白等功能物質，并將其內容物傳遞至特定細胞；MSC-EV雙分子層囊膜能夠避免其在循環過程中被酶類物質降解；同時MSC-EV體積小，能夠避免高劑量輸注MSC引起門靜脈或肺靜脈栓塞風險[22]。

MSC-EV能夠減輕輻射對HSC的損傷程度，促進受照后HSC的增殖，逆轉輻射所致的HSC生長抑制、DNA受損及凋亡，小鼠受5 Gy劑量照射后靜脈輸注MSC-EV后造血重建明顯快于對照組[2]。MSC-EV能夠直接作用于小鼠HSC細胞，在無其他造血支持條件下，MSC-EV能夠使受致死劑量射線照射小鼠長期存活[30]。輻射會使受照機體骨髓間充質基質細胞受損，增加骨質疏松及骨折風險。MSC-EV能夠降低氧化應激水平，加快DNA損傷修復，減少增殖抑制及細胞衰老相關蛋白表達，調節基質細胞分化，重建骨髓基質細胞功能，進而減輕輻射導致的骨損失[31]。目前MSC-EV在組織修復、免疫調節、造血支持等方面顯示出與MSC相當的功效[5, 32]，被認為有望成為一種更安全、高效穩定的非細胞治療手段[32-33]。

5 MSC救治輻射損傷下一步研究方向

MSC免疫豁免特性使其異體輸注后不會被排斥，且能同時解決受照后機體造血重建、組織修復兩方面的問題，使MSC具備成為輻射損傷救治理想方法的潛質。盡管臨床前實驗顯示MSC對輻射損傷有較好的治療作用，但臨床推廣應用前仍有許多工作要做，包括MSC來源、擴增代數、冷凍與否、劑量、輸注頻次、輸注方式等因素均會影響到MSC作用效果[34]，臨床轉化時需要考慮相關影響因素。Osiris制藥公司目前已開發出MSC商用化細胞產品Prochymal，但MSC細胞產品的標準化、穩定性，MSC對輻射損傷傷員的有效性、安全性等問題仍需大樣本群體的驗證。MSC-EV作為一種理論上更安全高效的非細胞治療方法，其在輻射損傷救治中的作用及機制有待進一步探討。