間充質干細胞治療新型冠狀病毒肺炎的機制及研究進展

凌小穗 何海萍，2 李凡 張麗華

（1.昆明理工大學醫學院，昆明 650500； 2.華東師范大學附屬蕪湖醫院，蕪湖 241060）

世界衛生組織（World Health Organization，WHO）將2019新型冠狀病毒（2019 novel coronavirus，2019-nCoV）感染的肺炎命名為2019新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）［1-2］。截至2021年10月7日，我國累計確診超過124 932人，累計死亡超過5 693人，累計境外輸入9 215人。我國疫情從暴發至穩定再到小范圍集中出現，且隨著境外輸入及節假日人群活動密集加大，2019-nCoV會繼續存在很長時間，嚴重威脅人類生命安全。

目前多數重型及危重型COVID-19患者病情迅速進展為急性呼吸窘迫綜合征、膿毒血癥及多器官衰竭等，在抗病毒、抗菌、中醫藥等治療基礎上需給予機械通氣支持治療、循環治療、抗凝治療、血液凈化等治療，效果仍不理想［3］。因此，世界各地研究機構和醫療機構仍在積極開展臨床試驗，尋找安全有效的治療方法。間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）由于其免疫調節、組織修復及再生、遷移和歸巢、抗病毒和抗炎等生物學特性，可能成為COVID-19的有效治療方法［4-7］。以下就2019-nCoV的致病機制、MSCs治療COVID-19的潛在機制及面臨的挑戰進行綜述。

1 2019-nCoV的致病機制

2019-nCoV屬于單股正鏈病毒，其表面有一種三聚體糖蛋白，稱為刺突蛋白（Spike protein），這種蛋白與宿主細胞受體血管緊張素轉換酶2（angiotensin converting enzyme 2，ACE2）結合進入人體細胞進行復制、繁殖，在絲氨酸蛋白酶2（transmembrane protease serine protease 2，TMPRSS2）、組織蛋白酶L（cathepsin L，CTSL）、弗林蛋白酶（Furin）協同作用下被啟動，引發疾病（圖1）［8-10］。由于人體存在ACE2受體，且ACE2受體廣泛存在于人肺泡Ⅱ型細胞（alveolar type Ⅱ cells，AT2）和毛細血管內皮細胞，AT2細胞高表達TMPRSS2，病毒入侵人體時，病毒表面的刺突蛋白在肺部被啟動，肺臟成為2019-nCoV攻擊的主要靶器官［11-12］。2019-nCoV與肺泡上皮細胞、血管內皮細胞ACE2受體結合，導致肺泡上皮細胞受損和肺血管內皮通透性升高，蛋白漏出肺泡腔和肺間質，影響肺泡與血液間氣體交換，導致氧合障礙［13］。另一方面，病毒在體內不斷大量復制，引起體內免疫系統過度激活，大量炎癥細胞因子導致細胞因子風暴綜合征（cytokine storm syndrome，CSS），減少細胞因子產生是治療COVID-19的關鍵，免疫療法可能用于治療COVID-19［14-16］。

圖1 2019-nCoV對人體細胞的致病機制Fig.1 Pathogenic mechanism of 2019-nCoV on human cells

2 MSCs治療COVID-19的潛在調控機制

MSCs是一種多能干細胞，貼壁生長，可分化為成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞，且具有獨特的自我更新及歸巢能力，具有抗炎等免疫調節特性，在臨床應用上備受關注［17-18］。研究證實MSCs的潛在調控機制對COVID-19有治療效果，本文將從MSCs的免疫調節、組織修復、再生、遷移和歸巢、抗病毒和抗炎等機制對其在COVID-19治療中發揮的作用及應用進行闡述。

2.1 MSCs的免疫調節作用及其在COVID-19中的應用 MSCs的免疫調節機制已被廣泛研究，與固有免疫系統和獲得性免疫系統中的免疫細胞相互作用調節免疫應答［4］。研究表明2019-nCoV影響正常的免疫應答，導致患者免疫系統受損和炎癥反應失控，出現淋巴細胞減少、IgG反應增強、細胞因子水平升高等現象［9］。MSCs恰好在免疫調節方面具有優勢，主要通過細胞直接接觸或旁分泌作用發揮免疫調節作用［19］。研究報道MSCs的免疫調節作用歸因于MSCs外泌體、囊泡的免疫調節特性［20］。此外，MSCs能夠將巨噬細胞從促炎M1型向抗炎M2型轉變，減輕炎癥反應［21］。MSCs還可抑制樹突狀細胞（dendritic cells，DCs）分化和成熟，減少DCs激活和炎癥因子分泌［19］。同時，MSCs能抑制T細胞過度增殖，并促進T細胞分泌IL-10和IL-11等抗炎細胞因子［22-23］。一項使用MSCs治療COVID-19的試驗中，研究者發現MSCs通過減少粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（granulocyte-macrophage colony stimulating factor，GM-CSF）使巨噬細胞從促炎M1型向抗炎M2型轉變，從而發揮抗炎作用［24］。MSCs的這些免疫調節作用使其被用于COVID-19治療。

2.2 MSCs的組織修復和再生作用及其在COVID-19中的應用 MSCs可通過旁分泌途徑發揮組織修復和再生作用，如分泌趨化因子、細胞因子和生長因子等［5］。動物試驗中，MSCs通過分泌血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）治療脂多糖誘導的急性肺損傷大鼠，恢復其肺通透性，控制炎癥，減輕肺損傷［25］。研究表明，MSCs不僅可修復損傷的肺上皮細胞，還可促進COVID-19患者體內其他損傷組織修復，進一步證實MSCs在治療2019-nCoV所致多器官損傷中的優勢［26-27］。此外，研究再次證實MSCs在治療COVID-19中的組織修復和再生作用，通過分泌血管生成素（angiopoietin 1，Ang-1）和角質形成細胞生長因子（keratinocyte growth factor，KGF）修復被2019-nCoV破壞的肺泡毛細血管屏障［28］。另一項研究也發現MSCs治療的危重型COVID-19患者與未經MSCs治療的對照組相比，TGF-β、VEGF、KGF、神經生長因子（nerve growth factor，NGF）等明顯增加，表明MSCs的再生功能可修復COVID-19患者器官或組織損傷［29］。

2.3 MSCs的遷移和歸巢作用及其在COVID-19中的應用 MSCs遷移和歸巢受化學因素（如趨化因子、細胞因子和生長因子）影響，具有趨化作用，可歸巢至肺，進而分化為肺上皮細胞或分泌多種生長因子修復受損組織［30］。大量研究證實，組織損傷后基質細胞衍生因子1（stromal cell derived factor-1，SDF-1）表達顯著增加，表達趨化因子受體4（chemokine receptor 4，CXCR4）的骨髓間充質干細胞（bone marrow stromal cells，BMSCs）沿著SDF-1濃度梯度完成遷移，到達組織損傷部位進行修復工作［31］。同時，MSCs的遷移和歸巢作用還受機械因素（如血液動力學）影響［5］。研究證實重型COVID-19患者被感染的上皮細胞CXCL1、CXCL3、CXCL6、CXCL16和CXCL17等趨化因子分泌明顯增加，MSCs可利用其歸巢作用隨以上趨化因子遷移至肺，發揮修復及抗炎作用［32］。另有研究表明，靜脈注射的BMSCs超過80%滯留于肺，其余部分遷移并歸巢至其他組織，包括肝臟、脾臟和炎癥損傷部位［33］。表明MSCs的遷移與歸巢作用在治療2019-nCoV所致多器官損傷中發揮重要作用。

2.4 MSCs的抗病毒和抗炎作用及其在COVID-19中的應用 MSCs可分泌抗菌肽（antimicrobial peptide，AMPs）、吲哚胺2，3-雙加氧酶（indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO）、IL-17和其他分子產生直接抗病毒作用［7］。研究表明，MSCs來源外泌體可減少流感病毒在豬肺內的復制，并顯著減少流感病毒感染豬肺內病毒誘導的TH1類細胞因子產生［34］。此外，MSCs在治療脂多糖誘導的急性肺損傷小鼠模型中，可引起受損肺中IL-1β下調和IL-10上調，通過抗炎作用改善肺功能［35］。MSCs還能通過轉移其線粒體增強體內巨噬細胞和單核細胞吞噬活性，從而間接增強對細菌感染的固有免疫應答［36-37］。研究發現，COVID-19患者注射MSCs治療后，血液中C-反應蛋白、TNF-α水平下降，外周血淋巴細胞、IL-10水平升高，說明MSCs可發揮抗炎作用［16］。此外，MSCs治療的COVID-19患者中，炎癥水平最高的個體IL-6下降程度最大，氧合指數改善幅度最大，證明MSCs具有下調炎癥因子水平的作用［38］。周圍炎癥環境能夠增強MSCs的免疫調節作用［39］。表明利用MSCs的抗炎及抗病毒特征治療COVID-19具有可行性。

3 MSCs治療COVID-19的臨床試驗

MSCs治療COVID-19的相關臨床試驗在國內外正在進行。截至2021年10月，國際臨床研究注冊網站clinicaltrials.gov（搜索“COVID-19”“mesenchymal stem cell”）中有82個項目為MSCs治療COVID-19的臨床試驗，我國占10項。綜合相關臨床試驗觀察到多數臨床試驗處于1/2期，入組患者主要為符合重型COVID-19診斷標準的研究對象（《新型冠狀病毒肺炎診療方案》試行第八版），MSCs主要組織來源包括臍帶組織（臍帶、臍血、胎盤）、骨髓、脂肪、外囊泡（外泌體）、牙髓、嗅黏膜，臍帶來源MSCs治療COVID-19的臨床試驗最多，主要為靜脈注射，劑量為0.5×106～2.0×106cells（/kg·dose），少數為持續5～10 d的外泌體霧化吸入。表明MSCs治療COVID-19的臨床試驗在國內外已成為研究熱點（表1）。

表1 文中提及已發表的MSCs治療COVID-19的臨床試驗Tab.1 Published clinical trials of MSCs in treatment of COVID-19 mentioned in this study

4 MSCs治療COVID-19的前景及挑戰

MSCs因具有強大的免疫調節及抗炎能力，對預防或減輕查爾格-施特勞斯綜合征（Churg-Strauss syndrome，CSS）具有重要作用，治療COVID-19時顯示出良好前景，還可用于聯合療法，如聯合康復者血漿。文獻表明MSCs協同康復者血漿對重型COVID-19患者有較好療效［41］。但MSCs治療COVID-19也有局限性，目前臨床試驗大部分未進行雙盲或隨機對照試驗，且輸注后長期隨訪困難，不利于觀察輸注后不良反應及后遺癥。不同來源MSCs選擇無明確規定，且注射劑量、注射方式、給藥時間、給藥次數也不同。其次，MSCs培養過程中可能影響某些表面受體表達，影響歸巢能力，進而影響治療效果［42］。目前已發表的關于MSCs治療COVID-19的臨床試驗中，雖無嚴重不良反應報道，但出現過輕癥不良反應，包括一過性面色潮紅、低蛋白血癥、失眠、胃腸道疾病和陣發性心律失常等［38，40］。綜上，MSCs在COVID-19臨床應用方面仍面臨挑戰。

5 總結

MSCs具有修復再生、歸巢、抗炎、抗病毒與免疫調節潛能，已在COVID-19治療中發揮重要作用，盡管目前臨床數據與統計結果尚少，但隨著研究者不斷探索與實踐，MSCs將成為一種非常有前景的細胞免疫治療方法。