干细胞对急性呼吸窘迫综合征治疗的研究进展*

杨艳利 综述王导新 审校

(重庆医科大学附属第二医院呼吸内科， 重庆 400010)

【摘要】急性呼吸窘迫综合征(ARDS)是呼吸内科的危重症，目前以机械通气和支持治疗为主，但死亡率仍高。因此，创新的治疗方法显得十分必要。而干细胞(stem cells)是一类具有自我更新和分化潜能的细胞类群，是再生医学的研究热点。近年来，越来越多的研究证实干细胞尤其是间充质干细胞通过直接分化和旁分泌机制作用于ARDS，发挥免疫调节、促进肺组织再生修复、抑制肺纤维化等作用，可能成为ARDS一种新的治疗手段，本文就ARDS治疗新进展作一综述。

【关键词】急性呼吸窘迫综合征； 干细胞； 间充质干细胞； 旁分泌效应

【中图分类号】R 563.8

【文献标志码】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.

基金项目：国家自然科学基金(81270141)

通讯作者：王导新，教授，《西部医学》编委，E-mail：wangdaoxin1@163.com

收稿日期：( 2015-03-10； 编辑： 陈舟贵)

ProgressionofstemcellsfortreatmentofARDSYANGYanlireviewingWANGDaoxinchecking

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

【Keywords】Acuterespiratorydistresssyndrome；Stemcells；Mesenchymalstemcells；Paracrineaction

急性呼吸窘迫综合征(acuterespiratorydistresssyndrome，ARDS)是由肺内外多种致病因素，如脓毒血症、严重肺部感染、胃内容物吸入、创伤烧伤等导致的严重肺部炎症反应，由Ashbaugh等[1]在1967年首次提出。ARDS的发病机制十分复杂，涉及多个方面，但其本质是失控的炎症反应导致肺泡上皮细胞及内皮细胞受损，引起肺泡毛细血管通透性增加，使肺泡腔内水肿液过度积聚，影响气体交换。ARDS在成人中的发病率约为每年10万分之17.6～64[2]。目前ARDS尚无特效的治疗措施，主要以支持治疗为主，包括肺保护性通气和液体管理策略[3-5]。多年来，尽管这些治疗策略有很大改进，但近期数据显示ARDS的死亡率仍然高达30%～60%[6]。因此，创新的治疗措施对提高ARDS的临床结果显得非常有必要。

干细胞(stemcells)是人体内具有自我更新能力、多向分化潜能的特殊组织细胞。干细胞根据其组织来源分可为成人干细胞(Adultstemcells)和胚胎干细胞(Embryonicstemcells，ESCs)，而根据其分化潜能又分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。成人干细胞主要包括造血干细胞(hematopoieticstemcells，HSCs)、间充质干细胞(mesenchymalstemcells，MSCs)、内皮祖细胞(endothelialprogenitorcells，EPCs)及器官特异性干细胞。近年来，干细胞因其无限的分化潜能而成为再生医学领域的研究热点，且具有来源广、易分离、免疫耐受、副作用小等许多优点，广泛应用于各个系统疾病，本研究对干细胞治疗ARDS的新进展作一综述。

1间充质干细胞与ARDS

MSCs又称为多能间充质基质细胞，最初是从骨髓中分离而来，可以分化为人体多种组织细胞，包括骨细胞、软骨细胞、肌肉细胞、脂肪细胞和成纤维细胞。在1968年，Friedenstei等首次报道了MSCs，称MSCs是一群贴壁生长的、外表像成纤维细胞的克隆源性细胞。随后多个研究证实除了从骨髓中来源，MSCs也可以从脂肪组织、胎盘组织和脐带血等多种人体组织中分离而来。由于MSCs缺乏特异的细胞表面标志物，2006年国际社会细胞疗法定义MSCs需满足以下三个标准：①MSC必须在组织培养基上紧密贴壁生长。②MSC需表达CD105、CD90、CD73等细胞表面标志物，同时不能表达CD45、CD34、CD14、和CD11b。③在适当的体外条件下，MSC有能力分化为间叶细胞系谱，包括骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞[7]。

1.1MSCs通过以下机制参与ARDS①诱导分化为肺泡上皮细胞及内皮细胞：在ARDS发生过程中，干细胞在多种趋化因子作用下“归巢”至肺损伤部位并向肺内多种功能细胞如肺泡Ⅱ型上皮细胞、肺I型上皮细胞、肺血管内皮细胞分化，直接修复损伤的肺组织。②旁分泌效应：MSCs旁分泌多种可溶性因子(包括生长因子及其受体、趋化因子、细胞因子、调节肽等)通过组织间隙作用于周围的细胞，发挥多种生物学功能参与ARDS的病理生理过程。主要过程为：ⓐ抗炎和免疫调节作用：MSCs通过增加IL-10、前列腺素、抗菌肽的分泌同时减少IL-6、IL-8和TNF-a的分泌，从而诱导巨噬细胞重新编程以及减少中性粒细胞浸润，延缓炎症反应进程。ⓑ促进肺水肿液体清除：MSCs可以增加角化细胞生长因子(KGF)水平，它通过增强肺泡Ⅰ型和Ⅱ型上皮细胞表面Na-K-ATP酶活性，上调α-肺泡上皮钠通道(epithelialsodiumchannel，α-ENaC)基因表达，增加ENaC蛋白的含量，促进肺泡内液体转运，减轻肺水肿[8]。ⓒ抑制细菌生长：在大肠杆菌诱导小鼠肺炎模型中，MSCs旁分泌的抗菌肽IL-37可减少肺匀浆和支气管肺泡灌洗液中细菌数量和细菌生长，增加抗菌活性，显示了对革兰阴性菌的免疫反应[9]。ⓓ调节内皮细胞及上皮细胞通透性：MSCs旁分泌的血管紧张素-1(Ang-1)可稳定肺微血管内皮细胞完整性，降低Ⅱ型上皮细胞通透性，从而减轻肺水肿，其机制可能是通过抑制NFκB活性从而抑制肌动蛋白应力纤维形成和封闭蛋白18的分解[10]。ⓔ促进组织修复：MSCs通过减少血管内皮生长因子(VEGF)、转化生长因子-β(TGF-β)的分泌，增加角化细胞生长因子(KGF)分泌参与肺重塑过程，促进损伤肺组织的修复。ⓕ抑制肺组织纤维化：MSCs还可增加金属蛋白酶-8(MMP-8)的表达并减少金属蛋白酶组织抑制剂-1(TIMP-1)的表达，减轻肺组织中胶原纤维含量，从而降低肺纤维化，这种现象可能与巨噬细胞的表型从M1(抗炎和抗菌表型)转变到M2(创伤修复和炎症决定表型)有关[11]。③MSCs还可以转移线粒体、微小RNA、mRNA等细胞内物质到宿主细胞，从而恢复肺泡细胞生物学功能和蛋白质表达[12]。

1.2间充质干细胞治疗ARDS的实验研究进展Asmussen等[13]在内毒素诱导的绵羊ARDS模型中发现，静脉注射MSCs的治疗组在24小时的氧合指数明显高于静脉注射等离子体A的对照组(对照组：氧合指数(97±15)mmHg；低剂量组：氧合指数(288±55)mmHg(P=0.003)；高剂量组：氧合指数(327±2)mmHg(P=0.003))，高剂量MSCs治疗组的平均肺水含量也较对照组低(高剂量组：5g湿重/g干重[四分位区间4.9-5.8]vs对照组：6.7g湿重/g干重[四分位区间6.4-7.5](p-0.01))， 提示MSCs可减轻ARDS严重程度。Shin等[14]发现，脂肪间充质干细胞(ADMSCs)减轻LPS诱导的肺和全身性炎症因子浓度并且减轻肺细胞凋亡和多器官功能损伤。研究表明，在内毒素诱导的小鼠急性肺损伤模型中，人和小鼠ADMSCs都能降低促炎细胞因子浓度，同时增加抗炎细胞因子浓度(如IL-10)、减轻肺中性粒细胞迁移、降低肺通透性[15]。研究发现，脐带间充质干细胞(UC-MSCs)治疗小鼠ARDS可明显增加存活率、减轻全身和肺部炎症。其治疗基础可能是UC-MSCs促进体内抗炎系统平衡并减轻氧化应激[16]。在大肠杆菌诱导的小鼠肺损伤模型中，气管内给予UC-MSCs治疗，可发现在肺损伤后第3天、第7天小鼠体内IL-1α、IL-1β、IL-6、TNF-α和MIP-2等抗炎细胞因子含量以及MPO活性明显增加，且第3天的肺水含量明显减少，第7天血液和支气管肺泡灌洗液中细菌量减少，表明间充质干细胞可通过减缓炎症进程、增加细菌清除而明显减轻肺组织损伤，提高存活率[17]。

Chang等[18]报道，对1例65岁男性ARDS患者气管内注入UC-MSCs后，该患者的精神状态、肺顺应性(22.7ml/cmH2O～27.9ml/cmH2O)、氧合指数(191mmHg～334mmHg)、胸片情况等均有明显改善。而一项MSCs治疗ARDS的多中心、随机、非盲、剂量递增的一期临床试验中发现，在静脉注射同种异体骨髓MSCs治疗后，9名中-重度ARDS患者都表现出良好的耐受性，没有移植或治疗相关不良事件发生[19]。另外，Zheng等[20]在一项12例ARDS患者组成的单中心、随机、安慰剂对照试验中发现，ADMSCs治疗组的氧合指数明显升高，在治疗第5天时血清表面活化蛋白(SP-D)含量明显降低同时IL-6含量也呈下降趋势。这些临床试验展示了MSCs治疗ARDS的安全性和有效性，提示MSCs可能成为ARDS治疗的新方法。

2内皮祖细胞与ARDS

内皮祖细胞(EPCs)具有增殖和分化为成熟内皮细胞的能力，是内皮细胞修复中一个重要因素。临床前研究发现，自体EPCs移植可保护肺内皮细胞功能，维持肺泡毛细血管屏障完整性，提高存活率[21, 22]。Li等[23]发现EPCs治疗能减轻内毒素诱导的肺损伤严重程度。这些研究表明EPCs可通过直接促进内皮细胞修复、间接免疫调节氧化应激和炎症进程而有效减轻肺损伤，为ARDS的治疗提供可能。然而在一项油酸所致的小猪ARDS模型中发现，在轻度ARDS时，骨髓中内皮祖细胞被大量释放到外周循环，而在重度ARDS时骨髓中内皮祖细胞的动员受到损伤，这种现象可能是因为在重度ARDS时血浆中VEDF和SDF-1以及骨髓中MMP-9的量明显减少[24]。

3胚胎干细胞和诱导多能干细胞与ARDS

胚胎干细胞(ESCs)来源于胚囊的内细胞团，又称为全能干细胞，可分化为所有胚胎和成人组织细胞谱系。实验研究证实，人胚胎干细胞诱导分化的Ⅱ型肺泡上皮细胞(hES-ATIICs)具有与正常原始的Ⅱ型肺泡上皮细胞相同的功能，可分化为表达I型肺泡上皮细胞表型标记的细胞。在博来霉素诱导ARDS的小鼠模型中，hES-ATIICs移植可以改善小鼠血氧饱和度、降低肺胶原沉积，提高生存率[25]。由于供体卵母细胞来源困难、免疫排斥反应、体外保持细胞全能性的条件复杂以及伦理学等方面的缺点，ESCs的临床应用受到局限。通过基因重编程技术将转录因子导入成体细胞如纤维细胞而获得的诱导多能干细胞(inducedpluripotentstemcells，iPScells)具有与胚胎干细胞相似的分化潜能。它可以代替胚胎干细胞应用于ARDS的治疗中，从而避免了ESCs的缺点。Yang等[26]发现，在内毒素诱导的ALI模型中，静脉注射诱导多能干细胞明显减少损伤肺组织内中性粒细胞聚集，抑制NF-kB、髓过氧化物酶活性，下调内毒素导致的促炎反应(减少TNF-a、IL-6和巨噬细胞炎性多肽-2水平)，改善氧合和肺功能。

4CD34+干/祖细胞与ARDS

CD34+祖细胞可从骨髓、外周血以及脐带等部位分离得到，能够促进血管再生成。在许多血管性疾病(如心机梗死、脑卒中)和非血管性疾病(如脊髓损伤、肝硬化)中都可发挥治疗作用。在油酸建立的ALI模型中，外周血CD34+祖细胞移植可减少大鼠体内促炎分子，如细胞间粘附分子-1(ICAM-1)和TNF-α的表达，而抗炎细胞因子IL-10的表达水平明显升高，最重要的发现是肿瘤坏死因子α诱导蛋白-6(TSG-6)基因表达显著上调。表明人外周血CD34+细胞可能成为干细胞治疗ALI的一种重要途径，而其抗炎特性在某种程度上是通过激活CD34+细胞表达抗炎因子TSG-6[27]。Huang等[28]在小鼠ARDS模型中发现，CD34+祖细胞可剧烈诱导肺内皮细胞增殖，恢复血管完整性从而抑制肺部炎症，缩短肺部炎症时间，提高小鼠生存率。

5小结和展望

较多ALI/ARDS住院病人因严重的肺水肿在疾病早期就死亡，临床迫切需要寻求一个更佳的方法来挽救更多的重症病人。到目前为止，ALI/ARDS的治疗仍然是以呼吸支持技术为主，非机械通气治疗的疗效十分有限。干细胞因其移植、分化、免疫调节和旁分泌作用，为ARDS提供了药物治疗、细胞治疗和基因治疗三种潜在的临床治疗方法。然而，干细胞治疗目前基本处于动物实验阶段，临床试验研究刚起步，仍需要较长时间和大量的临床研究来提示干细胞的确切治疗机制和效果。

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