干細胞對急性呼吸窘迫綜合征治療的研究進展*

楊艷利 綜述王導新 審校

(重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院呼吸內科， 重慶 400010)

【摘要】急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)是呼吸內科的危重癥，目前以機械通氣和支持治療為主，但死亡率仍高。因此，創(chuàng)新的治療方法顯得十分必要。而干細胞(stem cells)是一類具有自我更新和分化潛能的細胞類群，是再生醫(yī)學的研究熱點。近年來，越來越多的研究證實干細胞尤其是間充質干細胞通過直接分化和旁分泌機制作用于ARDS，發(fā)揮免疫調節(jié)、促進肺組織再生修復、抑制肺纖維化等作用，可能成為ARDS一種新的治療手段，本文就ARDS治療新進展作一綜述。

【關鍵詞】急性呼吸窘迫綜合征； 干細胞； 間充質干細胞； 旁分泌效應

【中圖分類號】R 563.8

【文獻標志碼】A

doi：10.3969/j.issn.1672-3511.2015.10.047

Abstract【】ARDS is a critical case of respiratory medicine, and the therapy is mainly mechanical ventilation combine with support treatment at present. The mortality of ARDS still reminds high, so innovative treatment seems to be necessary. However, Stem cells are a class of cell groups with self-renewal and differentiation potential, is a hotspot research on regenerative medicine. In recent years, a growing number of studies have confirmed that stem cells especially mesenchymal stem cells may be a new therapy of ARDS, giving the evidence that they can modulate the immune response, facilitate lung regeneration and repair, and inhibition pulmonary fibrosis via differentiation and paracrine action.

基金項目：國家自然科學基金(81270141)

通訊作者：王導新，教授，《西部醫(yī)學》編委，E-mail：wangdaoxin1@163.com

收稿日期：( 2015-03-10； 編輯： 陳舟貴)

ProgressionofstemcellsfortreatmentofARDSYANGYanlireviewingWANGDaoxinchecking

(Department of Respiratory Medicine，The Second Affiliated Hospital of Chongqing Medical University，Chognqing 400010, China)

【Keywords】Acuterespiratorydistresssyndrome；Stemcells；Mesenchymalstemcells；Paracrineaction

急性呼吸窘迫綜合征(acuterespiratorydistresssyndrome，ARDS)是由肺內外多種致病因素，如膿毒血癥、嚴重肺部感染、胃內容物吸入、創(chuàng)傷燒傷等導致的嚴重肺部炎癥反應，由Ashbaugh等[1]在1967年首次提出。ARDS的發(fā)病機制十分復雜，涉及多個方面，但其本質是失控的炎癥反應導致肺泡上皮細胞及內皮細胞受損，引起肺泡毛細血管通透性增加，使肺泡腔內水腫液過度積聚，影響氣體交換。ARDS在成人中的發(fā)病率約為每年10萬分之17.6～64[2]。目前ARDS尚無特效的治療措施，主要以支持治療為主，包括肺保護性通氣和液體管理策略[3-5]。多年來，盡管這些治療策略有很大改進，但近期數(shù)據(jù)顯示ARDS的死亡率仍然高達30%～60%[6]。因此，創(chuàng)新的治療措施對提高ARDS的臨床結果顯得非常有必要。

干細胞(stemcells)是人體內具有自我更新能力、多向分化潛能的特殊組織細胞。干細胞根據(jù)其組織來源分可為成人干細胞(Adultstemcells)和胚胎干細胞(Embryonicstemcells，ESCs)，而根據(jù)其分化潛能又分為全能干細胞、多能干細胞和單能干細胞。成人干細胞主要包括造血干細胞(hematopoieticstemcells，HSCs)、間充質干細胞(mesenchymalstemcells，MSCs)、內皮祖細胞(endothelialprogenitorcells，EPCs)及器官特異性干細胞。近年來，干細胞因其無限的分化潛能而成為再生醫(yī)學領域的研究熱點，且具有來源廣、易分離、免疫耐受、副作用小等許多優(yōu)點，廣泛應用于各個系統(tǒng)疾病，本研究對干細胞治療ARDS的新進展作一綜述。

1間充質干細胞與ARDS

MSCs又稱為多能間充質基質細胞，最初是從骨髓中分離而來，可以分化為人體多種組織細胞，包括骨細胞、軟骨細胞、肌肉細胞、脂肪細胞和成纖維細胞。在1968年，F(xiàn)riedenstei等首次報道了MSCs，稱MSCs是一群貼壁生長的、外表像成纖維細胞的克隆源性細胞。隨后多個研究證實除了從骨髓中來源，MSCs也可以從脂肪組織、胎盤組織和臍帶血等多種人體組織中分離而來。由于MSCs缺乏特異的細胞表面標志物，2006年國際社會細胞療法定義MSCs需滿足以下三個標準：①MSC必須在組織培養(yǎng)基上緊密貼壁生長。②MSC需表達CD105、CD90、CD73等細胞表面標志物，同時不能表達CD45、CD34、CD14、和CD11b。③在適當?shù)捏w外條件下，MSC有能力分化為間葉細胞系譜，包括骨細胞、成軟骨細胞、脂肪細胞[7]。

1.1MSCs通過以下機制參與ARDS①誘導分化為肺泡上皮細胞及內皮細胞：在ARDS發(fā)生過程中，干細胞在多種趨化因子作用下“歸巢”至肺損傷部位并向肺內多種功能細胞如肺泡Ⅱ型上皮細胞、肺I型上皮細胞、肺血管內皮細胞分化，直接修復損傷的肺組織。②旁分泌效應：MSCs旁分泌多種可溶性因子(包括生長因子及其受體、趨化因子、細胞因子、調節(jié)肽等)通過組織間隙作用于周圍的細胞，發(fā)揮多種生物學功能參與ARDS的病理生理過程。主要過程為：?抗炎和免疫調節(jié)作用：MSCs通過增加IL-10、前列腺素、抗菌肽的分泌同時減少IL-6、IL-8和TNF-a的分泌，從而誘導巨噬細胞重新編程以及減少中性粒細胞浸潤，延緩炎癥反應進程。?促進肺水腫液體清除：MSCs可以增加角化細胞生長因子(KGF)水平，它通過增強肺泡Ⅰ型和Ⅱ型上皮細胞表面Na-K-ATP酶活性，上調α-肺泡上皮鈉通道(epithelialsodiumchannel，α-ENaC)基因表達，增加ENaC蛋白的含量，促進肺泡內液體轉運，減輕肺水腫[8]。?抑制細菌生長：在大腸桿菌誘導小鼠肺炎模型中，MSCs旁分泌的抗菌肽IL-37可減少肺勻漿和支氣管肺泡灌洗液中細菌數(shù)量和細菌生長，增加抗菌活性，顯示了對革蘭陰性菌的免疫反應[9]。?調節(jié)內皮細胞及上皮細胞通透性：MSCs旁分泌的血管緊張素-1(Ang-1)可穩(wěn)定肺微血管內皮細胞完整性，降低Ⅱ型上皮細胞通透性，從而減輕肺水腫，其機制可能是通過抑制NFκB活性從而抑制肌動蛋白應力纖維形成和封閉蛋白18的分解[10]。?促進組織修復：MSCs通過減少血管內皮生長因子(VEGF)、轉化生長因子-β(TGF-β)的分泌，增加角化細胞生長因子(KGF)分泌參與肺重塑過程，促進損傷肺組織的修復。?抑制肺組織纖維化：MSCs還可增加金屬蛋白酶-8(MMP-8)的表達并減少金屬蛋白酶組織抑制劑-1(TIMP-1)的表達，減輕肺組織中膠原纖維含量，從而降低肺纖維化，這種現(xiàn)象可能與巨噬細胞的表型從M1(抗炎和抗菌表型)轉變到M2(創(chuàng)傷修復和炎癥決定表型)有關[11]。③MSCs還可以轉移線粒體、微小RNA、mRNA等細胞內物質到宿主細胞，從而恢復肺泡細胞生物學功能和蛋白質表達[12]。

1.2間充質干細胞治療ARDS的實驗研究進展Asmussen等[13]在內毒素誘導的綿羊ARDS模型中發(fā)現(xiàn)，靜脈注射MSCs的治療組在24小時的氧合指數(shù)明顯高于靜脈注射等離子體A的對照組(對照組：氧合指數(shù)(97±15)mmHg；低劑量組：氧合指數(shù)(288±55)mmHg(P=0.003)；高劑量組：氧合指數(shù)(327±2)mmHg(P=0.003))，高劑量MSCs治療組的平均肺水含量也較對照組低(高劑量組：5g濕重/g干重[四分位區(qū)間4.9-5.8]vs對照組：6.7g濕重/g干重[四分位區(qū)間6.4-7.5](p-0.01))， 提示MSCs可減輕ARDS嚴重程度。Shin等[14]發(fā)現(xiàn)，脂肪間充質干細胞(ADMSCs)減輕LPS誘導的肺和全身性炎癥因子濃度并且減輕肺細胞凋亡和多器官功能損傷。研究表明，在內毒素誘導的小鼠急性肺損傷模型中，人和小鼠ADMSCs都能降低促炎細胞因子濃度，同時增加抗炎細胞因子濃度(如IL-10)、減輕肺中性粒細胞遷移、降低肺通透性[15]。研究發(fā)現(xiàn)，臍帶間充質干細胞(UC-MSCs)治療小鼠ARDS可明顯增加存活率、減輕全身和肺部炎癥。其治療基礎可能是UC-MSCs促進體內抗炎系統(tǒng)平衡并減輕氧化應激[16]。在大腸桿菌誘導的小鼠肺損傷模型中，氣管內給予UC-MSCs治療，可發(fā)現(xiàn)在肺損傷后第3天、第7天小鼠體內IL-1α、IL-1β、IL-6、TNF-α和MIP-2等抗炎細胞因子含量以及MPO活性明顯增加，且第3天的肺水含量明顯減少，第7天血液和支氣管肺泡灌洗液中細菌量減少，表明間充質干細胞可通過減緩炎癥進程、增加細菌清除而明顯減輕肺組織損傷，提高存活率[17]。

Chang等[18]報道，對1例65歲男性ARDS患者氣管內注入UC-MSCs后，該患者的精神狀態(tài)、肺順應性(22.7ml/cmH2O～27.9ml/cmH2O)、氧合指數(shù)(191mmHg～334mmHg)、胸片情況等均有明顯改善。而一項MSCs治療ARDS的多中心、隨機、非盲、劑量遞增的一期臨床試驗中發(fā)現(xiàn)，在靜脈注射同種異體骨髓MSCs治療后，9名中-重度ARDS患者都表現(xiàn)出良好的耐受性，沒有移植或治療相關不良事件發(fā)生[19]。另外，Zheng等[20]在一項12例ARDS患者組成的單中心、隨機、安慰劑對照試驗中發(fā)現(xiàn)，ADMSCs治療組的氧合指數(shù)明顯升高，在治療第5天時血清表面活化蛋白(SP-D)含量明顯降低同時IL-6含量也呈下降趨勢。這些臨床試驗展示了MSCs治療ARDS的安全性和有效性，提示MSCs可能成為ARDS治療的新方法。

2內皮祖細胞與ARDS

內皮祖細胞(EPCs)具有增殖和分化為成熟內皮細胞的能力，是內皮細胞修復中一個重要因素。臨床前研究發(fā)現(xiàn)，自體EPCs移植可保護肺內皮細胞功能，維持肺泡毛細血管屏障完整性，提高存活率[21, 22]。Li等[23]發(fā)現(xiàn)EPCs治療能減輕內毒素誘導的肺損傷嚴重程度。這些研究表明EPCs可通過直接促進內皮細胞修復、間接免疫調節(jié)氧化應激和炎癥進程而有效減輕肺損傷，為ARDS的治療提供可能。然而在一項油酸所致的小豬ARDS模型中發(fā)現(xiàn)，在輕度ARDS時，骨髓中內皮祖細胞被大量釋放到外周循環(huán)，而在重度ARDS時骨髓中內皮祖細胞的動員受到損傷，這種現(xiàn)象可能是因為在重度ARDS時血漿中VEDF和SDF-1以及骨髓中MMP-9的量明顯減少[24]。

3胚胎干細胞和誘導多能干細胞與ARDS

胚胎干細胞(ESCs)來源于胚囊的內細胞團，又稱為全能干細胞，可分化為所有胚胎和成人組織細胞譜系。實驗研究證實，人胚胎干細胞誘導分化的Ⅱ型肺泡上皮細胞(hES-ATIICs)具有與正常原始的Ⅱ型肺泡上皮細胞相同的功能，可分化為表達I型肺泡上皮細胞表型標記的細胞。在博來霉素誘導ARDS的小鼠模型中，hES-ATIICs移植可以改善小鼠血氧飽和度、降低肺膠原沉積，提高生存率[25]。由于供體卵母細胞來源困難、免疫排斥反應、體外保持細胞全能性的條件復雜以及倫理學等方面的缺點，ESCs的臨床應用受到局限。通過基因重編程技術將轉錄因子導入成體細胞如纖維細胞而獲得的誘導多能干細胞(inducedpluripotentstemcells，iPScells)具有與胚胎干細胞相似的分化潛能。它可以代替胚胎干細胞應用于ARDS的治療中，從而避免了ESCs的缺點。Yang等[26]發(fā)現(xiàn)，在內毒素誘導的ALI模型中，靜脈注射誘導多能干細胞明顯減少損傷肺組織內中性粒細胞聚集，抑制NF-kB、髓過氧化物酶活性，下調內毒素導致的促炎反應(減少TNF-a、IL-6和巨噬細胞炎性多肽-2水平)，改善氧合和肺功能。

4CD34+干/祖細胞與ARDS

CD34+祖細胞可從骨髓、外周血以及臍帶等部位分離得到，能夠促進血管再生成。在許多血管性疾病(如心機梗死、腦卒中)和非血管性疾病(如脊髓損傷、肝硬化)中都可發(fā)揮治療作用。在油酸建立的ALI模型中，外周血CD34+祖細胞移植可減少大鼠體內促炎分子，如細胞間粘附分子-1(ICAM-1)和TNF-α的表達，而抗炎細胞因子IL-10的表達水平明顯升高，最重要的發(fā)現(xiàn)是腫瘤壞死因子α誘導蛋白-6(TSG-6)基因表達顯著上調。表明人外周血CD34+細胞可能成為干細胞治療ALI的一種重要途徑，而其抗炎特性在某種程度上是通過激活CD34+細胞表達抗炎因子TSG-6[27]。Huang等[28]在小鼠ARDS模型中發(fā)現(xiàn)，CD34+祖細胞可劇烈誘導肺內皮細胞增殖，恢復血管完整性從而抑制肺部炎癥，縮短肺部炎癥時間，提高小鼠生存率。

5小結和展望

較多ALI/ARDS住院病人因嚴重的肺水腫在疾病早期就死亡，臨床迫切需要尋求一個更佳的方法來挽救更多的重癥病人。到目前為止，ALI/ARDS的治療仍然是以呼吸支持技術為主，非機械通氣治療的療效十分有限。干細胞因其移植、分化、免疫調節(jié)和旁分泌作用，為ARDS提供了藥物治療、細胞治療和基因治療三種潛在的臨床治療方法。然而，干細胞治療目前基本處于動物實驗階段，臨床試驗研究剛起步，仍需要較長時間和大量的臨床研究來提示干細胞的確切治療機制和效果。

【參考文獻】

[1]AshbaughD,BigelowDB,PettyT, et al.Acuterespiratorydistressinadults[J].TheLancet, 1967, 290(7511): 319-323.

[2]BlankR,NapolitanoLM.EpidemiologyofARDSandALI[J].Criticalcareclinics, 2011, 27(3): 439-458.

[3]TidalL.Ventilationwithlowertidalvolumesascomparedwithtraditionaltidalvolumesforacutelunginjuryandtheacuterespiratorydistresssyndrome[J].NewEnglandJournalofMedicine, 2000, 342(18): 1301-1308.

[4]CepkovaM,MatthayMA.Pharmacotherapyofacutelunginjuryandtheacuterespiratorydistresssyndrome[J].Journalofintensivecaremedicine, 2006, 21(3): 119-143.

[5]WiedemannHP,WheelerAP,BernardGR, et al.Comparisonoftwofluid-managementstrategiesinacutelunginjury[J].NewEnglandJournalofMedicine, 2006, 354(24): 2564-2575.

[6]DiazJV,BrowerR,CalfeeCS, et al.Therapeuticstrategiesforsevereacutelunginjury[J].Criticalcaremedicine, 2010, 38(8): 1644-1650.

[7]DominiciM,LeBlancK,MuellerI, et al.Minimalcriteriafordefiningmultipotentmesenchymalstromalcells.TheInternationalSocietyforCellularTherapypositionstatement[J].Cytotherapy, 2006, 8(4): 315-317.

[8]LiJW,HuangS,WuY, et al.Paracrinefactorsfrommesenchymalstemcells:aproposedtherapeutictoolforacutelunginjuryandacuterespiratorydistresssyndrome[J].Internationalwoundjournal, 2014, 11(2): 114-121.

[9]KrasnodembskayaA,SongY,FangX, et al.AntibacterialeffectofhumanmesenchymalstemcellsismediatedinpartfromsecretionoftheantimicrobialpeptideLL‐37[J].Stemcells, 2010, 28(12): 2229-2238.

[10]FangXH,NeyrinckAP,MatthayMA, et al.AllogeneichumanmesenchymalstemcellsrestoreepithelialproteinpermeabilityinculturedhumanalveolartypeⅡcellsbysecretionofangiopoietin-1[J].JournalofBiologicalChemistry, 2010, 285(34): 26211-26222.

[11]Maron-GutierrezT,SilvaJD,AsensiKD, et al.Effectsofmesenchymalstemcelltherapyonthetimecourseofpulmonaryremodelingdependontheetiologyoflunginjuryinmice[J].Criticalcaremedicine, 2013, 41(11):e319-e333.

[12]Maron-GutierrezT,LaffeyJG,PelosiP, et al.Cell-basedtherapiesfortheacuterespiratorydistresssyndrome[J].Currentopinionincriticalcare, 2014, 20(1): 122-131.

[13]AsmussenS,ItoH,TraberDL, et al.Humanmesenchymalstemcellsreducetheseverityofacutelunginjuryinasheepmodelofbacterialpneumonia[J].Thorax, 2014, 69(9): 819-825.

[14]ShinS,KimY,JeongS, et al.Thetherapeuticeffectofhumanadultstemcellsderivedfromadiposetissueinendotoxemicratmodel[J].Internationaljournalofmedicalsciences, 2013, 10(1): 8-18.

[15]ZhangS,DanchukSD,ImhofKM, et al.Comparisonofthetherapeuticeffectsofhumanandmouseadipose-derivedstemcellsinamurinemodeloflipopolysaccharide-inducedacutelunginjury[J].StemCellResearchandTherapy, 2013, 4(1): 13.

[16]LiJ,LiD,LiuX, et al.HumanumbilicalcordmesenchymalstemcellsreducesystemicinflammationandattenuateLPS-inducedacutelunginjuryinrats[J].JournalofInflammation, 2012, 9(1): 1-11.

[17]KimES,ChangYS,ChoiSJ, et al.Intratrachealtransplantationofhumanumbilicalcordblood-derivedmesenchymalstemcellsattenuatesEscherichiacoli-inducedacutelunginjuryinmice[J].Respiratoryresearch, 2011, 12(1): 108.

[18]ChangY,ParkSH,HuhJ, et al.Intratrachealadministrationofumbilicalcordblood-derivedmesenchymalstemcellsinapatientwithacuterespiratorydistresssyndrome[J].JournalofKoreanmedicalscience, 2014, 29(3): 438-440.

[19]WilsonJG,LiuKD,ZhuoH, et al.Mesenchymalstem(stromal)cellsfortreatmentofARDS:aphase1clinicaltrial[J].TheLancetRespiratoryMedicine, 2015, 3(1): 24-32.

[20]ZhengG,HuangL,TongH, et al.Treatmentofacuterespiratorydistresssyndromewithallogeneicadipose-derivedmesenchymalstemcells:arandomized,placebo-controlledpilotstudy[J].Respiratoryresearch, 2014, 15(1): 39.

[21]LamC,LiuY,HsuJ, et al.Autologoustransplantationofendothelialprogenitorcellsattenuatesacutelunginjuryinrabbits[J].Anesthesiology, 2008, 108(3): 392-401.

[22]MaoM,WangS,LvX, et al.Intravenousdeliveryofbonemarrow-derivedendothelialprogenitorcellsimprovessurvivalandattenuateslipopolysaccharide-inducedlunginjuryinrats[J].Shock, 2010, 34(2): 196-204.

[23]LiH,QiangY,WangL, et al.Repairoflipopolysaccharide-

inducedacutelunginjuryinmicebyendothelialprogenitorcells,aloneandincombinationwithsimvastatin[J].ChestJournal, 2013, 144(3): 876-886.

[24]QiY,QianL,SunB, et al.Mobilizationofendothelialprogenitorcellsfrombonemarrowisimpairedinapigletmodelofacuterespiratorydistresssyndrome[J].PediatricCriticalCareMedicine, 2013, 14(5): 233-242.

[25]WangDC,MoralesJE,CalameDG, et al.Transplantationofhumanembryonicstemcell-derivedalveolarepithelialtypeⅡcellsabrogatesacutelunginjuryinmice[J].MolecularTherapy, 2010, 18(3): 625-634.

[26]YangK,ShihH,HowC, et al.IVdeliveryofinducedpluripotentstemcellsattenuatesendotoxin-inducedacutelunginjuryinmice[J].ChestJournal, 2011, 140(5): 1243-1253.

[27]Abd-AllahSH,ShalabySM,Abd-ElbaryE, et al.HumanperipheralbloodCD34+cellsattenuateoleicacid-inducedacutelunginjuryinrats[J].Cytotherapy, 2015, 17(4): 443-453.

[28]HuangX,SunK,ZhaoYD, et al.HumanCD34+progenitorcellsfreshlyisolatedfromumbilicalcordbloodattenuateinflammatorylunginjuryfollowingLPSchallenge[J].PloSone, 2014, 9(2):88814.