骨髓間充質干細胞在肺纖維化中抑制上皮-間充質轉化的研究進展

李鑫麗,張春媚,趙忠巖

(吉林大學中日聯誼醫院 重癥醫學科,吉林 長春130033)

骨髓間充質干細胞(BMSCs)是一群具有自我更新能力并具有多項分化潛能的祖細胞,研究顯示其能通過多種機制改善已經發生纖維化的肺內結構,恢復肺通氣功能[1],其作用機制可能與抑制上皮-間充質轉化(EMT),改善肺泡上皮損傷等多種途徑有關[2-3]。本文就BMSCs在肺纖維化中抑制上皮-間充質轉化的研究進展做一綜述。

1 BMSCs抑制上皮-間充質轉化的途徑

上皮-間充質轉化是指上皮細胞在細胞因子如轉化生長因子β(TGF-β)等介導下失去其特定的內皮細胞標志物如內皮鈣黏素(E-Cad),變為擁有間質標記,如α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)的肌成纖維細胞并在受損肺泡基底膜處聚集,成為“成纖維細胞灶”,過量分泌細胞外基質,如膠原蛋白從而發生肺纖維化的過程[4]。Jiang 等發現在二氧化硅(SiO2)誘導的小鼠肺纖維化模型中,α-SMA表達增加,血管結構破壞,內皮細胞損傷,BMSCs治療兩周抑制了SiO2誘導的E-Cad表達降低和間充質標志物表達增加,阻斷SiO2誘導的膠原沉積持續增加,表明BMSCs對外界刺激引起的EMT產生治療作用[5]。這一過程可能是通過多種途徑實現的。

1.1 BMSCs抑制細胞外基質沉積

BMSCs除減輕肺上皮損傷并啟動其修復外,還能通過減少細胞外基質(ECM)沉積的作用治療肺纖維化。ECM沉積主要指膠原蛋白的沉積,是肺纖維化的典型病理改變,是肺功能喪失的直接原因,它既是EMT的結果,也是誘導EMT發生的直接因素。Wei等通過實驗發現BMSCs移植通過下調矽肺大鼠ECM成分,包括纖維連接蛋白和膠原蛋白[6],從而抑制EMT,TGF-β/SMAD信號通路被認為是這一過程的主要參與者[7- 8]。結締組織生長因子(CTGF)是一種ECM相關蛋白,與纖維化的形成直接相關,并可與TGF-β協同作用促進ECM的產生。Abdel等發現用BMSCs治療胺碘酮誘導的肺纖維化大鼠,可使肺組織中Ⅰ型膠原和CTGF基因表達降低,膠原分泌減少,肺組織學改善[9]。因此,BMSCs可能在基因水平和分子水平同時作用減輕ECM沉積。

也有研究支持BMSCs通過調節肺纖維化過程中不同階段基質金屬蛋白酶(MMPs)和基質金屬蛋白酶抑制劑(TIMPs)的含量來延緩肺纖維化的進展。在博萊霉素致肺損傷的早期階段,MMPs的表達增多,活性增加,而TIMPs的表達相對降低,肺組織的膠原溶解活性增加。相反,在肺纖維化形成期,二者比例倒置,肺組織的膠原溶解活性降低,促進膠原蛋白沉積,加速肺纖維化[10]。Zhao等[3]通過分析比對一系列此類研究發現,在肺損傷的早期炎癥階段,BMSCs可以通過下調MMPs的表達來減少MMPs對肺組織的損傷,而在纖維化后期,BMSCs上調MMPs的表達,抑制TIMPs的活性,從而促進MMPs對膠原蛋白的溶解作用,恢復受損組織的結構和功能。

1.2 BMSCs改善組織內穩態

在肺纖維化早期階段,持續存在的異常刺激物導致肺泡內炎癥反應發生,大量炎癥因子釋放,破壞肺內免疫穩態,促進上皮-間充質轉化的發生[11]。Chen等發現BMSCs移植可抑制百草枯中毒小鼠肺組織中腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-6(IL-6)等促炎細胞因子的產生,最終減輕肺纖維化[12]。這與Gad等的實驗結果一致[7]。Wei等[6]研究表明,BMSCs可抑制SiO2誘導的大鼠肺組織和支氣管肺泡灌洗液中炎性細胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6的表達。也有多項研究顯示BMSCs可直接分泌抑炎因子如白細胞介素-10(IL-10)、前列腺素E2、白細胞介素-1受體拮抗劑等[13],起到抑制炎癥反應,減輕肺泡上皮損傷的作用。同時,BMSCs治療還可顯著改善丙二醛、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和氧化谷胱甘肽等氧化損傷指標,對肺組織起到保護作用[14]。

BMSCs對炎癥或損傷部位具有趨向性[2],表現出很強的遷移能力,歸巢至受損的肺組織[13,15-17],起到免疫調節作用。有研究發現[18]在結締組織病導致的間質性肺炎及肺纖維化過程中,細胞毒性T細胞水平升高,并伴隨調節性T細胞水平降低,而體外添加BMSCs可以逆轉這一變化,并促進抗纖維化因子(干擾素誘導蛋白-10)的產生,阻止肺纖維化的進展。這與Takao等[19]的研究結果一致,BMSCs通過誘導調節性T細胞入肺,糾正細胞因子平衡失調,從而抑制博萊霉素誘導的肺部炎癥和纖維化。BMSCs本身具有免疫原性,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癥反應,起到保護肺組織的作用[20]。也有研究顯示BMSCs通過產生免疫抑制分子促進巨噬細胞從促炎表型向抗炎表型極化,發揮抗炎作用[21],從而減輕肺上皮細胞及內皮細胞損傷,從而阻斷其發展為肺纖維化。

1.3 BMSCs的修復作用

肺泡上皮損傷被認為是肺纖維化早期的重要特征,持續的上皮損傷激活成纖維細胞,促進纖維化[22]。反復發生、遷延不愈的上皮細胞損傷和異常的修復過程最終導致肺纖維化[23]。BMSCs具有多項分化潛能,可分化為不同類型的細胞,如Ⅱ型肺泡上皮細胞,參與肺損傷的修復過程[13,20]。肺纖維化的發展過程中,BMSCs可分化為Ⅱ型肺泡上皮細胞,增加受損部位的肺泡上皮細胞來源,增強其損傷修復能力來緩解肺纖維化的發生。另一方面,BMSCs還可以通過抑制肺泡上皮細胞凋亡減少肺組織損傷[20]。有研究者發現在體外實驗中BMSCs減少百草枯誘導的肺上皮細胞凋亡[12]。Zhao等[24]研究顯示給予矽肺小鼠模型移植BMSCs后凋亡相關蛋白包括Bax顯著下調,Bcl-2/Bax顯著上調,熱裂解相關蛋白顯著減少,而對自噬相關蛋白無顯著影響,因此BMSCs主要通過抑制凋亡和焦亡保護肺組織免受嚴重纖維化。

2 BMSCs抑制上皮-間充質轉化的分子機制

BMSCs通過多種途徑抑制上皮-間充質轉化,其分子機制涉及多條信號通路的參與。

2.1 經典Wnt信號通路

Wnt/β-catenin信號通路在進化過程中高度保守,通過調節干細胞的多能性,在發育過程中決定細胞的分化命運。Wnt11通路的激活還被證實可以誘導肌成纖維細胞分化,使α-SMA表達增加,發生間質性變。越來愈多的研究顯示Wnt/β-catenin信號通路參與了由各種原因導致的肺纖維化[25-26]。Zhang等[27]通過檢測EMT和Wnt/β-catenin通路相關蛋白的表達證實BMSCs移植可抑制EMT,減輕大鼠SiO2誘導的肺纖維化,并發現其抗纖維化作用可能是通過減弱Wnt/β-catenin信號通路來實現的。

2.2 外泌體的作用

外泌體是由細胞分泌的雙層脂質膜囊泡[28]。越來越多的證據表明,外泌體通過裝載miRNAs、蛋白質和脂質等物質進行細胞間的信息傳遞,在包括細胞分化、免疫反應等多種細胞活動中發揮重要作用[29]。miR-466f-3p是外泌體攜帶的一種miRNAs,主要通過抑制AKT/GSK3β通路發揮保護作用。Li等[26]通過miRNAs微陣列分析顯示,骨髓間充質干細胞外泌體通過分泌miR-466f-3p進而靶向AKT/GSK3β信號通路可以減輕外源性輻射誘導的EMT,支持外體miR-466f 3p的抗纖維化特性。

2.3 SMAD蛋白家族的作用

SMAD蛋白家族是位于細胞質中的TGF-β受體激酶的下游底物。它將TGF-β信號從細胞膜傳遞到細胞核,調節促纖維化基因,激活α-SMA的基因表達,促進成纖維細胞向肌成纖維細胞分化,誘導EMT,并通過SMAD蛋白增強膠原蛋白和基質沉積[8]。Wei等[6]研究顯示BMSCs抑制硅誘導的TGF-β1、SMAD2和SMAD3升高和SMAD7降低。表明TGF-β1/SMAD信號通路可能是BMSCs抑制EMT的作用靶點,而這一作用也與外泌體的分泌功能密切相關[8,30]。

3 展望與小結

一部分學者認為BMSCs不但在炎癥的最初階段,而且能在隨后的慢性纖維化階段改善肺纖維化[31]。但也有研究表明BMSCs對肺纖維化的逆轉作用僅局限于疾病早期。Srour等[32]發現,在損傷后早期給予BMSCs可減輕炎癥反應并減輕博萊霉素誘導的小鼠肺纖維化程度。然而,博萊霉素給藥后7天給予BMSCs對小鼠或豬肺中已建立的纖維化變化沒有影響,并且會增加受損組織中的瘢痕形成,惡化疾病進程。BMSCs的作用時機仍需進一步研究探索。另一方面,為了提高BMSCs向受損肺組織的遷移速度及提高利用率,有學者提出氣管內或支氣管內途徑可能增強BMSCs的功效[2]。因此,BMSCs對肺纖維化的逆轉作用的最佳時機、作用途徑等需要進一步研究闡明。