金志賢，周開華，畢虹，杜俊毅，陳敏，王清(昆明市第一人民醫(yī)院，昆明650011)

·綜述·

間充質(zhì)干細胞治療慢性阻塞性肺疾病機制研究進展

金志賢，周開華，畢虹，杜俊毅，陳敏，王清(昆明市第一人民醫(yī)院，昆明650011)

摘要：目的慢性阻塞性肺疾病(COPD)主要采用藥物治療，但暫無可治愈COPD的藥物。目前，關(guān)于間充質(zhì)干細胞(MSCs)治療肺部疾病的研究較多。本文總結(jié)了COPD發(fā)病機制的研究進展，在此基礎(chǔ)上探討MSCs治療COPD的療效及其可能的機制，主要包括抑制炎癥反應(yīng)、糾正蛋白酶/抗蛋白酶失衡、抗細胞凋亡、抑制氧化應(yīng)激及轉(zhuǎn)分化為肺泡上皮細胞等，為MSCs應(yīng)用于臨床提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：慢性阻塞性肺疾?。环螝饽[；間充質(zhì)干細胞；炎癥；蛋白酶/抗蛋白酶失衡；細胞凋亡；氧化應(yīng)激

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是最常見的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，發(fā)病率及病死率均高[1]。其為一種以氣流受限為特征的疾病，這種氣流受限與有害顆?；驓怏w所致的氣道及肺部慢性炎癥有關(guān)，通常呈進行性發(fā)展，COPD病理改變包括小氣道炎癥及肺氣腫。目前，COPD的治療主要是藥物治療，包括抗炎藥物(激素)、茶堿類及支氣管舒張劑，這些藥物可減輕氣道阻塞，限制COPD急性加重，但無法阻止疾病進展。研究表明，間充質(zhì)干細胞(MSCs)移植已經(jīng)用于肺纖維化[2]、肺動脈高壓[3]及急性肺損傷[4]的治療?，F(xiàn)結(jié)合COPD的發(fā)病機制，對MSCs治療COPD機制的相關(guān)研究進展綜述如下。

1抑制炎癥反應(yīng)

2糾正蛋白酶/抗蛋白酶失衡

正常情況下，內(nèi)源性蛋白酶抑制劑控制著蛋白酶的活性。蛋白酶與抗蛋白酶之間動態(tài)平衡對于維持正常的肺泡結(jié)構(gòu)非常重要。有研究表明，與非吸煙者相比，吸煙者α1-抗胰蛋白酶(α1-AT)的活性下降約40%[8]。吸煙可刺激炎性細胞進入肺部、活化，活化的炎性細胞及肺上皮細胞釋放大量蛋白酶，如中性白細胞彈性蛋白酶(NE)、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)等。炎癥和氧化應(yīng)激可使蛋白酶活化，蛋白酶又可促進炎性因子產(chǎn)生及激活，促進黏液高分泌，使氣道反復(fù)發(fā)生細菌感染。故蛋白酶釋放、激活與炎癥反應(yīng)之間形成正反饋回路。另一方面，吸煙可使蛋白酶抑制劑活性降低。二者共同導(dǎo)致蛋白酶/抗蛋白酶失衡，從而加速細胞外基質(zhì)降解，使肺結(jié)構(gòu)細胞凋亡，肺泡壁破壞，肺泡腔擴大，并能放大炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致肺實質(zhì)持續(xù)性破壞。

有學(xué)者給吸煙誘導(dǎo)的肺氣腫大鼠肺內(nèi)輸注MSCs，發(fā)現(xiàn)大鼠肺氣腫減輕，肺功能得到改善，血清MMP-9、MMP-12水平明顯降低[6]。MSCs的肺保護機制可能與糾正蛋白酶/抗蛋白酶失衡有關(guān)，具體機制尚不清楚，可能通過阻斷蛋白酶釋放、激活與炎癥反應(yīng)之間形成正反饋回路而糾正蛋白酶/抗蛋白酶失衡[9]。

3抗細胞凋亡

細胞凋亡是一種嚴密控制的細胞程序性死亡，有利于清除無用的、受損傷的及被感染的細胞，對于維持正常組織穩(wěn)態(tài)非常重要。正常情況下，細胞凋亡與細胞增殖處于動態(tài)平衡狀態(tài)。肺泡壁細胞凋亡是肺氣腫形成的重要機制[10]。COPD患者肺泡上皮細胞凋亡增加，細胞凋亡與增殖處于失衡狀態(tài)[11]。

研究表明，VEGF可促進肺泡上皮細胞增殖、維持正常的肺泡結(jié)構(gòu)，予VEGF受體抑制劑則可加速肺泡上皮細胞凋亡[12]。在肺氣腫患者或吸煙者的肺組織、誘導(dǎo)痰及BALF中，VEGF及其受體的基因、蛋白表達水平明顯降低[13]。多項研究發(fā)現(xiàn)，MSCs可促進VEGF分泌[6, 14]及誘導(dǎo)VEGF受體-2的表達[6]，且在木瓜酶[15]或吸煙[6]誘導(dǎo)的肺氣腫大鼠模型中，MSCs移植均可減少肺泡上皮細胞凋亡，故推測MSCs可能通過逆轉(zhuǎn)吸煙暴露對VEGF信號通路的抑制作用，抑制肺泡上皮細胞凋亡，達到治療COPD的目的。MSCs移植還可通過改變凋亡基因及抗凋亡基因表達水平來抑制肺泡上皮細胞凋亡。有學(xué)者[16]發(fā)現(xiàn)，MSCs移植可上調(diào)木瓜酶誘導(dǎo)的肺氣腫大鼠肺組織中抗凋亡基因Bcl-2的表達水平，下調(diào)促凋亡基因Bax的表達水平。另外，MSCs移植也可通過降低Caspase-3的活性從而抑制細胞凋亡[17]。

4抑制氧化應(yīng)激

外源性途徑(吸煙及空氣污染)及內(nèi)源性途徑(機體代謝反應(yīng))產(chǎn)生的ROS參與COPD的發(fā)病過程。吸煙是ROS的主要外源性來源[18]，因吸煙而激活的炎性細胞(巨噬細胞、嗜中性粒細胞、嗜酸性粒細胞等)可產(chǎn)生高水平內(nèi)源性ROS，進一步增加氧負荷。正常情況下，肺臟擁有廣大的細胞內(nèi)及細胞外抗氧化防御系統(tǒng)，可快速滅活ROS，保護肺部細胞免受氧化損傷。而吸煙使ROS產(chǎn)生過多，當(dāng)抗氧化劑產(chǎn)生不足或抗氧化功能遭到損害時，機體的氧化/抗氧化平衡將被打破，發(fā)生氧化應(yīng)激[19～21]。

氧化應(yīng)激在COPD的發(fā)病機制中起樞紐性作用。氧化應(yīng)激可上調(diào)氧化還原敏感性轉(zhuǎn)錄因子(如NF-κB)及活化蛋白-1(AP-1)表達，激活其下游信號傳導(dǎo)通路，調(diào)控多種炎性因子基因表達；還可通過降低中性粒細胞的可塑變形性，使中性粒細胞滯留于肺部，放大慢性炎癥反應(yīng)。同時，炎性細胞又可釋放大量ROS，使氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)之間形成正反饋回路。氧化應(yīng)激還可促進蛋白酶產(chǎn)生、激活，降低蛋白酶抑制劑活性，從而導(dǎo)致蛋白酶/抗蛋白酶失衡；通過抑制VEGF、激活NF-κB及直接損傷DNA等途徑誘發(fā)肺泡上皮細胞凋亡。氧化應(yīng)激與細胞凋亡之間也存在正反饋回路，二者在肺泡結(jié)構(gòu)破壞、肺氣腫形成過程中起協(xié)同作用。

MSCs在調(diào)節(jié)氧化還原環(huán)境中的作用是目前研究的熱點。有研究報道，對脂多糖誘導(dǎo)的肺損傷大鼠行MSCs移植能提高大鼠存活率，同時降低氧化應(yīng)激水平[22]。MSCs移植可降低過氧化物丙二醛(MDA)水平，上調(diào)血紅素氧化酶-1水平，后者具有很強的抗氧化應(yīng)激及細胞保護作用[23]。在自發(fā)性中風(fēng)動物模型中，MSCs移植也可降低腦組織氧化應(yīng)激水平[24]。還有學(xué)者[25]發(fā)現(xiàn)，MSCs移植有助于降低肺氣腫大鼠肺組織的氧化應(yīng)激水平，具體機制尚不明確。

此外，MSCs還可能通過分化為肺泡上皮細胞起到治療肺氣腫的效果。對于MSCs能分化為哪型肺泡上皮細胞，目前仍存在爭議。在脂多糖和吸煙誘導(dǎo)的肺氣腫大鼠模型中[26]及博來霉素誘導(dǎo)的肺損傷大鼠模型中[2, 27,28]，MSCs可分化為肺泡Ⅰ型上皮細胞和(或)肺泡Ⅱ型上皮細胞。有研究表明，MSCs分化為肺泡Ⅱ型上皮細胞可能與wnt經(jīng)典信號通路的激活有關(guān)[29]，確切機制尚需進一步研究。

參考文獻：

[1] Vaz Fragoso CA, Gill TM. Defining chronic obstructive pulmonary disease in an aging population[J]. J Am Geriatr Soc, 2010,58(11):2224-2226.

[2] 黃坤, 吳曉梅, 王欣燕, 等. 骨髓間充質(zhì)干細胞移植對大鼠肺纖維化的影響[J]. 中華結(jié)核和呼吸雜志,2012,35(9):659-664.

[3] Luan Y, Zhang X, Qi TG, et al. Long-term research of stem cells in monocrotaline-induced pulmonary arterial hypertension[J]. Clin Exp Med, 2014,14(4):439-446.

[4] Gupta N, Su X, Popov B, et al. Intrapulmonary delivery of bone marrow-derived mesenchymal stem cells improves survival and attenuates endotoxin-induced acute lung injury in mice[J]. J Immunol, 2007,179(3):1855-1863.

[5] Hogg JC, Chu F, Utokaparch S, et al. The nature of small-airway obstruction in chronic obstructive pulmonary disease[J]. N Engl J Med, 2004, 350(26):2645-2653.

[6] Guan XJ, Song L, Han FF, et al. Mesenchymal stem cells protect cigarette smoke-damaged lung and pulmonary function partly via VEGF-VEGF receptors[J]. J Cell Biochem, 2013,114(2):323-335.

[7] Weiss DJ, Casaburi R, Flannery R, et al. Aplacebo-controlled, randomized trial of mesenchymal stem cells in COPD[J]. Chest, 2013,143(6):1590-1598.

[8] Gadek JE, Fells GA, Crystal RG. Cigarette smoking induces functional antiprotease deficiency in the lower respiratory tract of humans[J]. Science, 1979,206(4424):1315-1316.

[9] Churg A, Wang RD, Tai H, et al. Macrophage metalloelastase mediates acute cigarette smoke-induced inflammation via tumor necrosis factor-alpha release[J]. Am J Respir Crit Care Med, 2003,167(8):1083-1089.

[10] Demedts IK, Demoor T, Bracke KR, et al. Role of apoptosis in the pathogenesis of COPD and pulmonary emphysema[J]. Respir Res, 2006,7(1):53.

[11] Hodge S, Hodge G, Holmes M, et al. Increased airway epithelial and T-cell apoptosis in COPD remains despite smoking cessation[J]. Eur Respir J, 2005,5(3):447-454.

[12] Tuder RM, Yun JH. Vascular endothelial growth factor of the lung: friend or foe[J]. Curr Opin Pharmacol, 2008,8(3):255-260.

[13] Marwick JA, Stevenson CS, Giddings J, et al. Cigarette smoke disrupts VEGF165-VEGFR-2 receptor signaling complex in rat lungs and patients with COPD: morphological impact of VEGFR-2 inhibition[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2006,290(5):L897-908.

[14] Wong AP, Dutly AE, Sacher A, et al. Targeted cell replacement with bone marrow cells for airway epithelial regeneration[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2007,293(3):740-752.

[15] Zhen G, Xue Z, Zhao J, et al. Mesenchymal stem cell transplantation increases expression of vascular endothelial growth factor in papain-induced emphysematous lungs and inhibits apoptosis of lung cells[J]. Cytotherapy, 2010,12(5):605-614.

[16] Zhen G, Liu H, Gu N, et al. Mesenchymal stem cells transplantation protects against rat pulmonary emphysema[J]. Front Biosci, 2008,13:3415-3422.

[17] Kim SY, Lee JH, Kim HJ, et al. Mesenchymal stem cell-conditioned media recovers lung fibroblasts from cigarette smoke-induced damage[J]. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2012,302(9):891-908.

[18] Pryor WA, Stone K. Oxidants in cigarette smoke. Radicals, hydrogen peroxide, peroxynitrate, and peroxynitrite[J]. Ann N Y Acad Sci, 1993,686:12-27.

[19] Antus B, Harnasi G, Drozdovszky O, et al. Monitoring oxidative stress during chronic obstructive pulmonary disease exacerbations using malondialdehyde[J]. Respirology, 2014,19(1):74-79.

[20] Cristóv?o C, Cristóv?o L, Nogueira F, et al. Evaluation of the oxidant and antioxidant balance in the pathogenesis of chronic obstructive pulmonary disease[J]. Rev Port Pneumol, 2013,19(2):70-75.

[22] Li J, Li D, Liu X,et al. Human umbilical cord mesenchymal stem cells reduce systemic inflammation and attenuate LPS-induced acute lung injury in rats[J]. J Inflamm (Lond), 2012,9(1):33.

[23] Fredenburgh LE, Perrella MA, Mitsialis SA. The role of heme oxygenase-1 in pulmonary disease[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 2007,36(2):158-165.

[24] Calió ML, Marinho DS, Ko GM, et al. Transplantation of bone marrow mesenchymal stem cells decreases oxidative stress, apoptosis, and hippocampal damage in brain of a spontaneous stroke model[J]. Free Radic Biol Med, 2014,70:141-154.

[25] 劉紅梅,馬利軍,牛紅麗,等.骨髓間充質(zhì)干細胞移植對肺氣腫大鼠氧化應(yīng)激與細胞凋亡的影響[J].中華結(jié)核和呼吸雜志,2011,34(9):697-698.

[26] Zhao Y, Xu A, Xu Q, et al.Bone marrow mesenchymal stem cell transplantation for treatment of emphysemic rats[J]. Int J Clin Exp Med, 2014,7(4):968-972.

[27] Rojas M, Xu J, Woods CR, et al. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells in repair of the injured lung[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 2005,33(2): 145-152.

[28] Kotton DN, Ma BY, Cardoso WV, et al. Bone marrow-derived cells as progenitors of lung alveolar epithelium[J]. Development, 2001,128(24): 5181-5188.

[29] Liu AR, Liu L, Chen S, et al. Activation of canonical wnt pathway promotes differentiation of mouse bone marrow-derived MSCs into type Ⅱ alveolar epithelial cells, confers resistance to oxidative stress, and promotes their migration to injured lung tissue in vitro[J]. J Cell Physiol, 2013,228(6):1270-1283.

(收稿日期：2014-09-17)

通信作者：王清

基金項目：云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項目(2012FB106)。

中圖分類號：R563.3

文獻標志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)02-0096-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2015.02.039