肺常駐間充質干細胞與特發性肺纖維化的相關研究進展

林浩輝，趙振富，蔡颯

(深圳大學醫學部，廣東 深圳 518061)

間充質干細胞(mesenchymal stem cell，MSC)是維持組織內穩態的重要組成部分，具有取代壞死細胞和分泌細胞因子等功能，因此可促進受損組織的修復與愈合[1]。目前不同組織來源的MSC已成功用于嚴重肺部疾病的臨床前研究和臨床試驗[2]。MSC廣泛存在于人體多種組織器官，且被認為起源于血管壁周圍[3]。肺常駐間充質干細胞(lung-resident-MSC，LR-MSC)最早由Sabatini等[4]從人正常支氣管組織中分離出的成纖維細胞樣細胞中獲得，且其與骨髓組織中分離獲得的MSC具有相似的生物學特性。在特定病理條件下，人體內含有的LR-MSC數量不足以修復肺部的損傷，但在病理條件誘導下，LR-MSC所致的成纖維分化、微血管重構、微環境改變等可促進肺纖維化的發展[5]。特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis，IPF)是一種慢性肺纖維化疾病，其發病機制目前尚未明確，且無有效的治療方法。有研究表明，LR-MSC可促進IPF的發展，但LR-MSC在治療部分肺部疾病時顯示出較骨髓MSC更好的效果，尤其在緩解肺部炎癥和損傷方面[6-8]。因此，明確LR-MSC與IPF的關系可以為闡明IPF的發病機制、完善臨床治療提供新的思路和作用靶點。現就LR-MSC與IPF的相關研究進展予以綜述。

1 LR-MSC的基本特征

LR-MSC主要存在于肺泡間質血管外膜的血管干細胞微環境中，可通過流式細胞術檢測“Hoechst 33342”的染色缺失以及造血細胞表面標志物CD45陰性表達篩選獲得。體外細胞培養實驗表明，LR-MSC的抗原標記與骨髓MSC類似，包括CD90、CD73、CD105和人類白細胞抗原-1陽性表達，CD14、CD34、CD45、c-kit和人類白細胞抗原-DR陰性表達，且在體外培養中LR-MSC可分化為脂肪細胞、軟骨細胞和骨細胞，由于LR-MSC在定位和特征上與血管壁MSC高度相似，且LR-MSC表達“血管壁MSC特異性HOX編碼”，因此被認為是一種血管壁MSC[9-10]。血管干細胞微環境作為干細胞和祖細胞的儲存庫，廣泛分布于全身各處，并可釋放多種調節因子，同時還是血管生成區的起始部位，在血管的構建和修復中具有決定性作用[11-12]。肺部功能與肺中的微血管數量密切相關，由于LR-MSC的特殊定位，其成為協調肺泡微血管形成、促進組織修復或再生的重要細胞，因此會對肺組織的正常生理活動和肺部疾病的發生發展產生一定影響。

此外，LR-MSC還具有組織特異性，因此較骨髓MSC具有更好的肺部生理調節能力。在體外培養實驗中，LR-MSC可分化為Ⅱ型肺泡上皮細胞，而Wnt/β聯蛋白(β-catenin)通路可能是調節LR-MSC分化為Ⅱ型肺泡上皮細胞的重要信號通路[13]。Hoffman等[7]在細胞靜脈移植修復彈性蛋白酶損傷的肺組織中發現，LR-MSC與骨髓MSC對受損組織的修復效果相當，但與骨髓MSC相比，LR-MSC在肺組織中的存活時間更長，同時細胞間黏附分子-1、血小板衍生生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)受體-α和整合素-α2的表達也更高。此外，LR-MSC還具有免疫調節功能，LR-MSC不表達主要組織相容性復合體Ⅱ以及共刺激分子CD80和CD86，并可通過分泌前列腺素E2抑制T淋巴細胞的活性[14]。LR-MSC還可在脂多糖刺激下調節急性呼吸窘迫綜合征模型大鼠腫瘤壞死因子-α、單核細胞趨化蛋白-1和白細胞介素-10等細胞因子的產生，進而抑制組織內免疫反應，降低炎癥反應，減輕肺組織受損程度[15-16]。

2 IPF的發病機制

IPF是一種慢性炎癥性間質性肺纖維化疾病，其病理改變主要表現為成纖維細胞和肌成纖維細胞增多聚積以及大量以膠原蛋白為主的細胞外基質沉積，這些病理改變可導致肺泡結構破壞并形成瘢痕，最終導致正常肺組織結構和功能受損[17]。

IPF的發病機制目前仍未明確，可能是多種因素相互作用的結果，主要包括：①Ⅰ型肺泡上皮細胞損傷可導致Ⅱ型肺泡上皮細胞增生并分化Ⅰ型肺泡上皮細胞，從而填補受損的部分，完成正常的生理修復；②Ⅰ型肺泡上皮細胞廣泛損傷且正常的修復機制受干擾，可導致肺泡塌陷，使Ⅱ型肺泡上皮細胞無法進行正常的修復，進而啟動異常的修復機制，導致成纖維細胞、肌成纖維細胞、間充質細胞和上皮細胞在促纖維化因子及生長因子(包括白細胞介素-1β、轉化生長因子-β、內皮素等)的作用下大量增殖分化，并向受損部位遷移，同時分泌大量的細胞外基質，填補損傷部位[18]；③由于局部組織結構改變，導致原有微循環損傷，進而引起局部微血管的重構[19]。此外，基質金屬蛋白酶和組織金屬蛋白酶抑制物失衡等也可導致或促進IPF的發生[20]。目前，IPF仍缺乏有效的治療手段，主要以藥物控制治療為主[21]。

3 LR-MSC與IPF的關系

LR-MSC是組織穩態的重要調節因子，具有抑制炎癥和促進修復的功能。由于LR-MSC具有向成纖維細胞、內皮細胞分化的潛能，且可調節免疫、重構微血管、改造局部微環境，在部分慢性肺部疾病的發展中起重要作用。作為一種慢性肺纖維化疾病，IPF的發病過程與LR-MSC的特性密切相關，闡明兩者之間的關系對于揭示IPF發病機制具有重要意義。此外，由于MSC具有多向分化潛能和抗炎特性，因此作為肺內的干細胞，LR-MSC可成為外源性輸入干細胞治療IPF的潛在干細胞之一。

3.1LR-MSC參與IPF的發生發展 成纖維細胞的大量累積和微循環的改建是肺纖維化病理發展的關鍵環節，LR-MSC可在體外分化為肌成纖維細胞、內皮細胞和周細胞，在微循環的改建和組織重構中起重要作用，同時LR-MSC對其所處的周圍環境的變化高度敏感，上皮細胞在損傷、炎癥細胞浸潤中釋放的細胞因子可驅動LR-MSC向肌成纖維細胞分化，參與肺纖維化的發展[22]。Marriott等[23]研究發現，人肺纖維化樣本中的LR-MSC數量顯著增加，并證明ATP結合盒轉運蛋白超家族G成員2(ATP-binding cassette superfamily G member 2，ABCG2)蛋白陽性表達的MSC群體是肌成纖維細胞的前體，這些MSC定位于血管周圍，因此也可參與肺纖維化微血管重構。而Gaskill等[24]則證實，肺纖維化模型ABCG2蛋白陽性表達的MSC可持續驅動微循環的功能障礙，促進血管的異常重構并逐漸加重肺纖維化。其中，Wnt信號通路、PDGF信號通路和核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信號通路以及相關的微RNA(microRNA，miRNA)等均參與了LR-MSC向肌成纖維細胞轉化過程。

3.1.1Wnt信號通路 Wnt及其下游信號通路在MSC的自我更新和分化中起重要作用，而β-catenin是Wnt信號通路的重要調節蛋白，其持續表達可導致細胞大量分裂、增殖[13]。轉化生長因子-β是激活Wnt/β-catenin信號通路的重要細胞因子之一，Wnt信號通路異常激活(尤其是Wnt7b和Wnt10a高表達)可誘導IPF組織中的LR-MSC分化為成纖維細胞，在轉化生長因子-β作用下，LR-MSC的膠質瘤相關癌基因同源物1(glioma-associated oncogene homolog 1，Gli-1)基因高表達，而抑制Gli-1基因的表達可下調Wnt7b和Wnt10a的表達，從而抑制LR-MSC向肌成纖維細胞分化[25]。此外，M2型巨噬細胞在IPF組織樣本中的浸潤也可誘導LR-MSC分化為成纖維細胞，而抑制Wnt/β-catenin信號通路的表達可下調轉化生長因子-β的表達和M2型巨噬細胞的浸潤，從而抑制LR-MSC分化為成纖維細胞，降低肺纖維化程度[26-27]。Cao等[28]研究表明，音猬因子-Wnt信號通路與LR-MSC向成纖維細胞的分化密切相關，當LR-MSC向肌成纖維細胞分化時，Wnt10a高表達和分泌，同時音猬因子信號通路活性增強，而抑制音猬因子-Wnt信號通路則可阻止博來霉素誘導的模型小鼠LR-MSC分化為肌成纖維細胞，并可改善肺纖維化，但該研究并不認為上皮細胞會發生上皮-間充質轉化并向成纖維細胞轉變形成纖維病灶。綜上，Wnt信號通路在LR-MSC增殖、分化和遷移中均發揮重要作用，抑制Wnt信號通路可產生抗纖維化效果。因此，進一步明確Wnt上下游信號通路中基因和蛋白的變化，可以為IPF的治療提供新思路。

3.1.2PDGF信號通路與NF-κB信號通路 PDGF是一類可顯著促進肌成纖維細胞增殖并誘導其向損傷部位聚集的細胞因子。在IPF患者的肺泡組織中，PDGF的兩種亞型——PDGF-A和PDGF-B水平均升高，且PDGF-B水平顯著高于PDGF-A[29]。同時，在轉化生長因子等細胞因子作用下，LR-MSC可通過高表達PDGF受體響應PDGF的升高、促進自身的生長和分化，并通過調節整聯蛋白與纖連蛋白的結合在組織受損部位重新分布，而PDGF-B可促進MSC分化為周細胞，參與局部血管重構，進而促進肺纖維化[30-31]。

腫瘤壞死因子-α是一種強大的促纖維化因子，可通過激活NF-κB信號通路促進LR-MSC分化為肌成纖維細胞，同時也可通過上調β-catenin的表達促進LR-MSC向成纖維細胞分化，抑制NK-κB信號通路則可抑制博來霉素誘導的IPF模型LR-MSC向成纖維細胞分化，并伴隨β-catenin表達降低，從而達到抑制肺纖維化的目的[32]。

3.1.3相關miRNA 在LR-MSC向成纖維細胞分化過程中，部分miRNA的表達也出現變化，包括miR-152-3p、miR-140-3p、miR-34a-5p等，這些miRNA可下調Krüppel樣因子4和生長抑制蛋白家族成員5基因的表達，而Krüppel樣因子4和生長抑制蛋白家族成員5可通過調節Wnt/β-catenin信號通路達到調控LR-MSC增殖、分化和遷移的目的[33]。在LR-MSC向肌成纖維細胞分化過程中miR-497-5p表達顯著上調，而其靶基因kazal模體可抑制基質金屬蛋白酶-2和基質金屬蛋白酶-9的表達，從而激活轉化生長因子-β[34]。此外，部分miRNA也可抑制LR-MSC的分化，如miR-877-3p可通過Smad7信號通路調節轉化生長因子-β的表達，而Smad7信號通路是一種抑制性信號通路[35]。核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3也可誘導LR-MSC分化為成纖維細胞，抑制核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3炎癥小體可促進Wnt通路拮抗因子Dkk-1(Dickkopf-1)的表達，而敲除LR-MSC中的Dkk-1受體可導致肺組織膠原沉積、肺纖維化程度增加[36-37]。

3.2利用LR-MSC治療IPF的相關研究 由于IPF具有慢性、進行性、不可逆性等特征，目前尚無有效治療手段。干細胞療法作為一種新興治療方法，通過直接分化替代受損組織或分泌外泌體等方式達到治療IPF的目的[38]。目前臨床多以骨髓MSC或脂肪MSC作為治療細胞，用于疾病(包括肺部疾病)的治療。MSC因具有良好的可塑性、抗炎、低免疫反應性、旁分泌等特征而成為治療IPF的良好選擇。臨床試驗表明，接受不同來源MSC治療的IPF患者均出現不同程度的臨床癥狀減輕、肺內炎癥反應降低、肺功能恢復和血流動力學改善等，同時不良反應少且輕微[39]。而LR-MSC作為一種存在于肺內的干細胞，是肺部組織中的一個獨特群體，與骨髓MSC在表型和基因表達方面均存在顯著差異[40]，在治療肺部疾病中較骨髓MSC具有更好的歸巢特性和療效，因此，LR-MSC可能成為治療IPF的更好選擇，但目前的研究仍處于實驗階段，同時LR-MSC與其他MSC之間的具體生物學差異、生物安全性、合理的獲取途徑、輸送途徑、輸送劑量等問題也均有待解決。

由于LR-MSC可促進IPF的發展，抑制LR-MSC向成纖維細胞分化也是治療IPF的途徑之一。臨床除了利用藥物阻斷LR-MSC向成纖維細胞分化的相關通路外，還可以LR-MSC為靶點，利用被前列腺素修飾的聚乙烯亞胺膠束向LR-MSC輸送可抑制其向成纖維細胞分化的干擾小RNA達到治療肺纖維化的目的[41]。

4 小 結

LR-MSC是維持肺組織正常生理功能的重要細胞，在特定的病理條件下，LR-MSC可向成纖維細胞分化，其分化的產生與Wnt、PDGF、NF-κB等信號通路和多種miRNA相關，并最終引發IPF，因此靶向LR-MSC與纖維化相關的信號通路、基因等治療可能成為治療IPF的新途徑。同時，外源性輸入MSC治療IPF的臨床試驗也正在開展，而LR-MSC作為存在于肺組織的正常細胞，修復肺部損傷的能力更強，因此將成為干細胞治療IPF的重要候選。但目前關于LR-MSC與IPF的相關研究較少，未來仍需進一步探討LR-MSC發生成纖維分化的具體機制并開展相關的干細胞治療實驗，從而為IPF的治療提供新思路。