刘俊香 李鲁新 赵孝金 左魁阳 杨艳娜 武 艳

黑龙江省牡丹江医学院医药研究中心，黑龙江牡丹江157011

骨髓间充质干细胞在肺纤维化中作用的研究进展

刘俊香 李鲁新 赵孝金 左魁阳 杨艳娜 武 艳▲

黑龙江省牡丹江医学院医药研究中心，黑龙江牡丹江157011

肺纤维化是多种病因引起一种慢性炎症间质性肺疾病。临床经验证实，激素、免疫抑制剂、细胞毒药物、抗纤维化药物以及免疫调节剂等药物治疗对肺纤维化疗效并不理想。因此探明肺纤维化的发病机制进而寻找有效的治疗方法显得尤为重要。近年来骨髓间充质干细胞移植作为新型的生物治疗方法已成为医学领域中最热门的研究课题之一，研究表明骨髓间充质干细胞可通过抑制炎性反应、促进上皮组织修复、减少胶原沉积、抑制基质金属蛋白酶的表达等来减轻肺纤维化，其凭借特有的生物学特性及功能成为治疗肺纤维化的种子细胞。但有些研究则发现骨髓间充质干细胞植入时机与疗效的差异具有相关性。因此本文就骨髓间充质干细胞在肺纤维化中的作用作一综述。

骨髓间充质干细胞；肺纤维化；成纤维细胞；肺泡损伤

肺纤维化为慢性进展性、消耗性疾病，致死率较高，预后差，确诊后平均生存年限均小于5年。近年来患病率逐年升高，每10万人患病例数从6.8例增加至16.3例，其最终导致肺功能丧失呼吸衰竭，严重影响人们的生活［1］。引起肺间质纤维化的危险因素众多，其中主要包括吸入灰尘、粉尘、烟尘；长期大量吸烟；服用或接触胺碘酮、博来霉素等相关药物；以及基础疾病如结缔组织或血管炎性疾病等［2］。当外界危险因素作用于机体后至肺纤维化形成大概可分为3个阶段：①急性肺毒性阶段：即外界毒性刺激可引起DNA双链的断裂，并且引起肺泡上皮细胞凋亡和坏死；②炎症阶段：免疫细胞进入肺内并且释放各种各样的可促进肺纤维化形成的细胞因子；③胶原蛋白沉积阶段：当肺纤维化发生时，正常的肺间质增大，被增殖的纤维母细胞和平滑肌细胞填充，基质金属蛋白酶表达增高并且参与受损肺组织结构的重建。研究表明，骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）移植可对损伤的肺组织具有保护作用，并且通过阻断肺纤维化形成的信号通路来抑制纤维化的发生［3］。本文将通过以下几个方面具体介绍BMSCs在肺纤维化中的作用。

1 骨髓间充质干细胞的生物学特性

当肺组织损伤时，BMSCs可感知损伤信号，并且迁移并定植到受损组织参与组织损伤与修复。经尾静脉或器官移植的BMSCs可定植于肺、心、脾、肝、小肠等器官，并且可最早、最大量的定植于肺组织。Lee等［4］研究表明，经小鼠尾静脉注射荧光标记的BMSCs，可检测到BMSCs在肺脏组织内的迁移和定植率是最高的，1 h后可高达83%，24 h定植率为42%，随时间延长含量降低，而在心脏、脾脏、肝脏、小肠1 h定植含量小于1%，24 h后含量几乎为零。Zangi［5］实验研究也得到类似结果。在博来霉素诱导的肺纤维化小鼠模型中发现，受损肺组织部位的细胞可产生一种可溶性细胞因子如粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF）等调节骨髓池中的干细胞数量，从而通过SDF-1/CXCR4轴刺激BMSCs增殖并且迁移至损伤的肺组织，发挥减轻博来霉素导致的肺组织损害的作用。BMSCs的这种可感知受损信号并迁移至损伤部位的功能为其在肺纤维化中的运用提供理论基础。

2 骨髓间充质干细胞可分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞

BMSCs具有多向分化潜能，体外培养发现，在不同的培养条件下BMSCs可增殖分化为不同类型细胞，如Ⅱ型肺泡上皮细胞，来参与受损组织的修复［6］。肺部上皮细胞分为Ⅰ型、Ⅱ型肺泡上皮细胞，正常情况下Ⅰ型肺泡上皮细胞只占肺泡上皮细胞群的40%左右，其主要作用为水和离子的转运、宿主防御、肿瘤抑制；其余为Ⅱ型肺泡上皮细胞，其除了可以合成和分泌肺泡表面活性物质、细胞因子、生长因子受体、酶及其他基质蛋白外，还能在肺泡上皮损伤后增殖分化成为Ⅰ型肺泡细胞对肺组织进行修复，Ⅱ型肺泡上皮细胞具有干细胞的功能，可参与肺的损伤与修复，有“修复细胞”的美誉［7-8］。在肺纤维化发生早期阶段，外界有毒物质刺激使肺泡结构受损，Ⅱ型肺泡上皮细胞损伤、凋亡和坏死，这也是肺纤维化早期重要的特征，当其出现过度凋亡时就容易造成肺组织修复异常，从而导致肺纤维化的发生和肺实质的重构［9］。肺纤维化发展过程中，MSCs可分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞，并且在一定程度上修复受损肺组织部位的干细胞池［10］，使肺泡表面受损的肺泡上皮细胞来源增加，从而增加其损伤修复能力从而来缓解肺纤维化的发生。同时BMSCs还具有抗肺上皮细胞凋亡作用，它能抑制促凋亡蛋白Bax的表达，减少肺损伤的Ⅱ型肺泡上皮细胞的凋亡［11-12］。当Ⅱ型肺泡上皮细胞出现过度凋亡时容易造成肺组织修复异常，从而导致肺纤维化的发生和肺实质的重构，而BMSCs可阻断该过程的发生对肺组织具有保护作用。

3 骨髓间充质干细胞抑制炎性反应及旁分泌功能

在肺纤维化早期阶段，BMSCs可通过抑制前炎症信号通路和上调抗炎通路来保护受损的肺组织［13-14］。Oriz等［15］报道称，BMSCs可产生高水平的IL-1受体拮抗剂，从而阻断IL-1的前炎症细胞因子，降低前炎症细胞因子、血管生成因子、一氧化氮等。同时MSCs可降低支气管肺泡灌洗液中的巨噬细胞炎症蛋白-2和TNF-α水平来保护受损的肺部组织，并且提升血浆和支气管肺泡灌洗液中的IL-10的水平。IL-10为单核细胞分泌的一种抗炎细胞因子，它可下调T1细胞因子的表达［16-17］。在博来霉素诱导的肺纤维化发生时，BMSCs可通过分泌IL-1ra细胞因子来降低纤维化后期胶原蛋白的堆积和基质金属蛋白酶的水平［18］。IL-1ra是一种细胞因子，在肺部损伤时，它能够和主要的炎症因子IL-1β和IL-1特异性的竞争受体，发挥抗炎效应。在博来霉素诱导的肺纤维化早期，由于博来霉素的刺激作用，大量细胞因子如INF-α、IL-2、IL-1β、IL-4水平升高，BMSCs移植后可大大降低这些细胞因子的水平，从而减弱和抑制炎性反应，缓解肺纤维化的发生。另外，BMSCs还具有旁分泌多种细胞因子的功能，如肝细胞生长因子、干细胞因子、基质源因子1α、转化生长因子-β、肿瘤坏死因子-α等，调节促炎/抗炎因子的平衡，进而来调节内皮细胞和上皮细胞的通透性，降低炎性反应，加强组织修复［19-20］。并且BMSCs本身具免疫原性，可减轻宿主的免疫排斥反应，进而减弱肺纤维化发生时的炎性反应，起到保护肺组织的作用。

4 骨髓间充质干细胞对肌成纤维细胞活化和细胞外基质的影响

肺纤维化的典型表现为进行性的细胞外基质沉积，肺间质增多，肺组织结构破坏，肺功能逐步丧失［21］。肌成纤维细胞活化是肺纤维化发生的关键环节，高表达α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA），肌成纤维细胞来源主要由上皮-间质转化和原位成纤维细胞的激活与转化［22-23］。TGF-β在促进肌成纤维细胞活化中起关键作用。外源性的移植BMSCs可阻断TGF-β/Smad通路，来减少肌成纤维细胞活化，进而抑制肺纤维化的进程［24-25］。博来霉素诱导的肺纤维化动物模型肺组织高表达基质金属蛋白酶如MMP2、MMP9、MMP3使胶原蛋白堆积，早期经尾静脉注射BMSCs可减少成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化，并抑制基质金属蛋白酶的表达，从而降低胶原蛋白的沉积，减缓肺纤维化。

5 骨髓间充质干细胞或可诱导加重肺纤维化

一些学者认为［26］，BMSCs也许是病理状态下肺纤维发生时纤维母细胞主要来源。肺纤维化的形成过程十分复杂，其中包括外周血单核细胞分化成的纤维细胞和成纤维细胞样的祖细胞。体外研究发现［27］，BMSCs可产生Wnt蛋白和TGF-β，从而使成纤维细胞增殖和细胞外基质的形成，这更增加了BMSCs促进纤维母细胞堆积和胶原沉积的可能性。有研究证明［28］一定条件诱导下，BMSCs可向成纤维细胞分化，以表皮生长因子对体外生长的BMSCs进行诱导分化，培养14 d后细胞呈现均一的纤维细胞样带有长突起的纺锤形细胞，Ⅰ、Ⅲ型胶原染色均为阳性。He等［29］亦证实在碱性成纤维细胞生长因子的诱导下BMSCs分化为成纤维细胞，如此可以推测临床上如果在肺纤维部位移植BMSCs，其在局部生长因子刺激下或可直接分化为肺成纤维细胞。也有研究证明在一定条件下BMSCs可分化为肌成纤维母细胞、合成细胞外基质、表达α-SMA，进而促进纤维化的发生［30］。

6 骨髓间充质干细胞植入时机的选择与疗效差异

有学者认为［31-32］，不同时机植入BMSCs对治疗肺纤维化的疗效不尽相同。崔瑗等［31］的实验研究为监测不同时间BMSCs对博来霉素诱导的肺纤维化动物模型的影响，实验发现用博来霉素刺激实验动物造模后分别于第1天和第7天给予尾静脉移植BMSCs，对模型动物肺组织病理分析发现，诱导肺纤维化模型后第1天给予干预比第7天给予干预治疗效果要明显；并且在肺损伤第1天给予BMSCs干预治疗的动物模型肺组织内可检测到外源性来源的BMSCs细胞，而在第7天给药组却没有类似结果。分析其原因可能与博来霉素刺激后第7天给予移植BMSCs干预肺脏对BMSCs的趋化作用降低有关。Epperly等［30］的报道证明，损伤后中晚期植入携带绿色荧光蛋白基因的BMSCs细胞在接受照射的受体小鼠内经历了一个从巨噬细胞到成纤维细胞的转变，该时期正是其肺泡纤维化迅速发展的时期，因此晚期植入BMSCs甚至可能起到促进肺纤维化作用。由上可以得出这样的结论BMSCs对于肺纤维的治疗作用有可能越是在肺组织损伤的早期移植MSCs，其控制肺纤维化的效果越好。

目前BMSCs移植在肺纤维化治疗中作用效果的研究仍未定论，综合现有文献结论笔者认为，在肺纤维早期肺泡上皮损伤及炎症阶段BMSCs通过其自身的优势可发挥一定抗纤维化作用；随着肺纤维化的进程的发展，在肺纤维化中后期BMSCs移植或可加重肺纤维化的程度。因此未来BMSCs移植在肺纤维化治疗方面的运用仍需进一步的研究，探明BMSCs移植的最佳时机及移植的最佳剂量并进而研究其作用机制，以期找到治疗肺纤维化的合理的治疗方案。

［1］Hu BA，Phan SH.Myofibroblasts［J］.Curr Opin Rheumatol，2013，25（1）：71-77.

［2］Zhang K，Rekhter MD，Cordon D，et al.Myofibroblasts and their role in lung collagen gene-expression during pulmonary fibrosis-acombined imunohistochemical and insitu hybridization study［J］.American Journal of Pathology，2013，145（1）：114-125.

［3］Akram KM，Lomas NJ，Forsyth NR，et al.Alveolar epithelial cells in idiopathic pulmonary fibrosis display upregulation of TRAIL，DR4and DR5 expression with simultaneouspreferentialover-expressionofpro-apoptotic marker p53［J］.lnt J Clin Exp Pathol，2014，7（2）：552-564.

［4］Lee R，Pulin A，Seo M，et al.Intravenous hMSCs improve myocardial infarction in mice because cells embolized in lung are activated to secrete the anti-inflammatory protein TSG-6［J］.Cell Stem Cell，2009，5（1）：54-63.

［5］ZangiL，Margalit R，Reich-Zeliger S，et al.Direct imaging of immune rejection and memory induction by allogeneic mesenchymal stromal cells.Stem Cells［J］，2009，27（11）：2865-2874.

［6］Ortiz LA，Gambelli F，McBride C，et al.Mesenchymal stem cellengraftmentinlungisenhancedinresponsetobleomycin exposure and ameliorates its fibrotic effects［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2003，100（14）：8407-8411.

［7］Kligerman SJ，Franks TJ，Galvin JR.From the radiologic pathology archives organization and fibrosis as a response to lung injury in diffuse alveolar damage，organizing pneumonia，and acute fibrinous and organizing pneumonia［J］. Radiographics，2013，33（7）：1951-1975.

［8］Corrin B，Dewar A.Pathogenesis of idiopathic interstitial pulmonary fibrosis［J］.Ultrastructural Pathology，2009，20（4）：369-371.

［9］Wang Z，Zhang X，Kang Y，et al.Stem cell therapy for idiopathic pulmonary fibrosis：How far are we from the bench to the bedside［J］.Journal of Biomedical Science& Engineering，2013，6（1）：24-31.

［10］Krueger SA，Finkelstein JN，Williams JP，et al.The Role of Bone Marrow-derived Progenitor Cells in the Systemic Response to Radiation-induced Lung Damage［J］.International Journal of Radiation Oncologybiologyphysics，2012，84（3）：s674-s674.

［11］Tsai PJ，Wang HS，Shyr YM，et al.Transplantation of insulin-producing cells from umbilical cord mesenchymal stem cells for the treatment of streptozotocin-induced diabetic rats［J］.J Biomed Sci，2012，19（5）：47.

［12］Bian S，Zhang L，Duan L，et al.Extracellular vesicles derived from human bone marrow mesenchymal stem cells promote angiogenesis in a rat myocardial infarction model［J］.Journal of Molecular Medicine，2014，92（4）：387-397.

［13］Guan M，Xu Y，Wang W，et al.Differentiation into neurons of rat bone marrow-derived mesenchymal stem cells［J］.European Cytokine Network，2014，25（3）：58-63.

［14］Shakhbazau AV，Kosmacheva SM，Kartel NA，et al.Neurogenic differentiation of mesenchymal stem cells：a transgenic approach［J］.Tsitologiia，2010，4（4）：309-312.

［15］Fattah S，Hossein B，Nasser A.An immunotherapy study to compare immunomodulatory effect of Human Mesenchymal Stromal Cells derived from Bone Marrow and Adipose tissues for application in non-human primate kidney transplantation［J］.Frontiers in Immunology，2013，4（2）：139-145.

［16］Bochev I，Elmadjian G，Kyurkchiev D，et al.Mesenchymal stem cells from human bone marrow or adipose tissue differently modulate mitogen-stimulated B-cell immunoglobulin production in vitro［J］.Cell Biology International，2008，32（4）：384-393.

［17］Sivanathan KN，Gronthos S，Rojas-Canales D，et al.Interferon-gamma modification of mesenchymal stem cells：implications of autologous and allogeneic mesenchymal stem cell therapy in allotransplantation［J］.Stem Cell Reviews，2014，10（3）：351-375.

［18］Ortiz LA，Dutreil M，Fattman C，et al.Interleukin 1 receptor antagonist mediates the antiinflammatory and antifibrotic effect of mesenchymal stem cells during lung injury［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2007，104（26）：11002-11007.

［19］Rock JR，Barkauskas CE，Cronce MJ，et al.Multiple stromal populations contribute to pulmonary fibrosis without evidence for epithelial to mesenchymal transition［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2011，108（52）：E1475-E1483.

［20］Fischer A，du Bois R.Interstitial lung disease in connective tissue disorders（vol380，pg 689，2012）［J］.Lancet，2012，380（9848）：1148.

［21］Liu JQ，Wang YC，Pan Q，et al.Wnt/beta-catenin pathway forms a negative feedback loop during tgf-beta 1 induced human normal skin fibroblast-to-myofibroblast transition［J］.J Dermatol Sci，2012，65（1）：38-49.

［22］Dees C，Tomcik M，Zerr P，et al.Notch signalling regulates fibroblast activation and collagen release in systemic sclerosis［J］.Ann Rheum Dis，2011，70（7）：1304-1310.

［23］Binai N，O＇Reilly S，Griffiths B，et al.Differentiation potential of cd14（+）monocytes into myofibroblasts in patients with systemic sclerosis［J］.Plos One，2012，7（3）：e33508.

［24］De Stefani D，Bononi A，Romagnoli A，et al.VDAC 1 selectively transfers apoptotic Ca2+signals to mitochondria［J］.Cell Death Differ，2012，19（2）：267-273.

［25］Pihlajama ki J，Ylinen M，Vauhkonen I，et a1.The effect of the-308A allele of the TNF-alpha gene on insulin action is dependent on obesity［J］.Obesity Research，2014，19（11）：912-917.

［26］Sueblinvong V，Weiss DJ.Cell therapy approaches for lung diseases：current status［J］.Curr Opin Pharmacol，2009，9（3）：268-273.

［27］Wang C，Zhu H，Sun Z，et al.Inhibition of Wnt/β-catenin signaling promotes epithelial differentiation of mesenchymal stem cells and repairs bleomycin-induced lung injury［J］.Am J Physiol Cell Physiol，2014，307（3）：C234-244.

［28］周伟，徐艳华，吴小翎，等.大鼠骨髓间充质干细胞向成纤维细胞的体内诱导［J］.中国生物制品学杂志，2011，24（5）：561-565.

［29］HeL，NanX，WangY，et al.Full-thickness tissue engineered skin constructed with autogentic bone marrow mesenchymal stem cells［J］.Sci china C Life Sci，2007，50（4）：429-437.

［30］Yano T，Miura T，Ikeda Y，et al.Intracardiac fibroblasts，but not bone marrow deviced cells，are the origin of myofibroblasts in myocardial infarct repair［J］.Cardiovasc Pathol，2005，14（5）：241-246.

［31］崔瑗，代华平，戴建武，等.骨髓间充质干细胞对博莱霉素致大鼠肺纤维化形成的影响［［J］.中华结核和呼吸杂志，2012，9（30）：677-682.

［32］Epperly MW，Guo H，Gretton JE，et al.Bone marrow origin of myofibroblasts in irradiation pulmonary fibrosis［J］. Am J Respir Cell Mo1Biol，2009，29（2）：213-222.

Research progress on the role of bone marrow-mesenchymal stem cell in pulmonary fibrosis

LIU JunxiangLI LuxinZHAO XiaojinZUO KuiyangYANG YannaWU Yan▲
Medical Research Center，Mudanjiang Medical College，Heilongjiang Province，Mudanjiang157011，China

Pulmonary fibrosis caused by various reasons is a chronic inflammatory interstitial lung disease.There are many medicine used in clinic including hormone，immunosuppressor，cytotoxic agents，antifibrotic drug，immunomodulator and so on，but clinical experience confirms that the curative effect is not so good.Therefore，it is important to ascertain the pathogenic mechanism of pulmonary fibrosis，and seek valid treatment method.In recent years，bone marrow-derived mesenchymal stem cell（BMSCs）transplantation as a novel bio-therapy method has become one of the hotest points in the field of medicine.BMSCs may offer the means of recapitulating several mechanisms（inhibiting inflammatory response，promoting epithelial tissue repair，reducing the collagen deposition，inhibiting the expression of matrix metalloproteinases，etc，that are sufficient for alleviating pulmonary fibrosis.And BMSCs could become the seed cells treating pulmonary fibrosis because of the typical biological character.But recent research finds that there are some differences between the opportunity to BMSCs implantation and therapeutic effect.This review will provide an overview on the role of bone marrow-mesenchymal stem cell in pulmonary fibrosis.

Bone marrow-derived mesenchymal stem cell；Pulmonary fibrosis；Fibroblast；Alveolar damage

R256.1

A

1673-7210（2016）07（b）-0034-04

2016-02-27本文编辑：赵鲁枫）

国家自然科学基金资助项目（81401599）

▲通讯作者