|
2021年7月7日 星期三
作者：李春晓 林江涛
单位：中日友好医院呼吸与危重症医学科 引用本文: 李春晓, 林江涛. 间充质干细胞在重症哮喘治疗中的机制和前景 [J] . 中华结核和呼吸杂志, 2021, 44(6) : 591-596. DOI: 10.3760/cma.j.cn112147-20201107-01088. 重症哮喘是哮喘防治的难点和重点。全球范围内，重症哮喘给社会和家庭带来的负担愈发沉重。目前糖皮质激素仍然是治疗重症哮喘的主要手段，但长期口服或全身糖皮质激素维持治疗可引发各种严重的不良事件。因此寻找新的治疗措施，对于重症哮喘治疗而言具有重要意义。近几年间充质干细胞因其免疫调节能力而成为治疗各种疾病的一种新方式。研究发现间充质干细在治疗呼吸道疾病中也具有很好的应用前景。本文就间充质干细胞治疗的机制以及其在重症哮喘的应用前景展开重点讨论，为间充质干细胞下一步在重症哮喘中的临床应用提供理论依据。 重症哮喘是哮喘防治的难点和重点。2017年《重症哮喘诊断与处理中国专家共识》中将重症哮喘定义为：在过去的一年中，需要使用全球哮喘防治创议（GINA）建议的第4级或第5级哮喘药物治疗，才能够维持控制或即使在上述治疗下仍表现为“未控制哮喘”［1］。我国重症哮喘占哮喘患者7.1%，其中需采用GINA 5级方案治疗的重症难治性哮喘约占所有重症哮喘1/5［2］。重症哮喘每年直接的治疗费用是常规哮喘患者10倍，消耗了50 %以上的医疗资源［3］。目前重症哮喘的主要治疗手段还是以糖皮质激素为主。而长期口服或全身糖皮质激素维持治疗可引发各种严重的不良事件。因此，寻找新的治疗措施，对这类患者的长期治疗和管理有重要的临床实践意义。近几年研究发现间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）在治疗呼吸道疾病中具有很好的应用前景。本文就MSC治疗机制及其在重症哮喘中的应用前景作一综述，为今后MSC在重症哮喘临床中的应用提供依据。半个世纪以来，MSC已成为实验细胞治疗中研究最深入的细胞类型。国际细胞治疗学会规定，MSC的标准为：具有塑料黏附性；表面标记为CD14-、CD19-、CD34-、CD45-、HLA-、DR-、CD73+、CD90+、CD105+；具有三系分化能力，可分化成软骨细胞、成骨细胞和脂肪细胞［4］。MSC最初分离自骨髓［5］，后来在脐带、脐血、脂肪，羊水、甚至牙龈等组织中相继被发现［6］。骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cell，BMSC）是临床试验中最常用的细胞，因为它们容易标准化［7］。除了从组织中分离原代的MSC之外，利用细胞工程的策略，从诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cell，iPSC）中获取MSC成为MSC来源的重要策略。研究表明，iPSC获取的MSC比MSC具有更好的细胞增殖能力、更长的寿命（超过50次传代）和更少的细胞衰老［8］。在临床应用中，iPSC中获取的MSC可能是一种更容易获得和接受的MSC的来源。MSC的治疗机制主要表现在两个方面：一是通过分化成不同的细胞系来替代受损组织；二是通过免疫调节功能来调节免疫反应。免疫调节功能则主要通过细胞间接触和相互作用，分泌可溶性因子和外泌体来实现。1. MSC的分化潜能：外源输入的MSC可以迁移到肺组织，在损伤部位聚集，分化成特定的细胞［9］。MSC在体内可以分化成为Ⅰ和Ⅱ型肺泡上皮细胞并参与组织再生修复［10］。然而当静脉输注MSC时，由于低效的归巢，只有少数能最终到达目标组织［11］。这些少数细胞且只有少部分细胞发生定植与分化［12］。越来越多的研究表明，MSC对受损和患病组织的保护作用主要归功于其免疫调节功能，而不是MSC的移植和分化。2.MSC的免疫调节功能：MSC可通过细胞接触调节免疫反应。参与细胞间相互作用的两个主要分子是共刺激分子程序性死亡配体1（programmed death ligand 1，PDL1）和肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）配体超家族成员6 （FASL）［13］。MSC通过与细胞表面分子和受体相互作用，直接调节各种免疫细胞的下游通路，影响细胞增殖、效应物的产生和细胞存活。来自MSC的线粒体转移是细胞接触调节形式的一种，是近几年研究的热点。线粒体转移可通过纳米管、缝隙连接、微泡、细胞融合和分离线粒体发生转移发生［14, 15, 16］。目前认为MSC可以将线粒体转移到几种不同的细胞类型，包括上皮细胞、内皮细胞和心肌细胞［17］。MSC线粒体转移在肺损伤、支气管上皮损伤、过敏性疾病等方面均有保护作用［18, 19］。MSC还可通过分泌可溶性因子和外泌体来发挥免疫调节作用。可溶性因子主要包括转化生长因子-β（TGF-β）、肝生长因子、一氧化氮、吲哚胺2，3-双加氧酶、白细胞介素（IL）-10、IL-6，白细胞抑制因子（LIF），IL-1受体拮抗剂（IL-1Ra）、半乳凝素、TNFα刺激基因-6、人类白细胞抗原G、血红素加氧酶-1和前列腺素E2等。其中只有LIF和IL-6在间充质干细胞中组成性表达，而其他可溶性因子均是在MSC对炎症环境做出反应后产生的［20］。这些可溶性因子可以抑制细胞凋亡，刺激增殖，促进血管化，调节固有免疫系统和适应性免疫系统，从而诱导MSC调控免疫抑制［21］。外泌体是细胞外囊泡的一种，直径在40~100 nm。外泌体表达与其来源细胞相似的细胞表面蛋白，并包含各种细胞质成分，包括蛋白质、RNA、脂质、线粒体和DNA［22］。外泌体在细胞间通讯中发挥重要作用，能够通过直接的表面受体相互作用、细胞间受体传递、向靶细胞传递蛋白或遗传信息水平传递等方式改变靶细胞的活性［23］。它们参与细胞过程，如血管生成调节、细胞增殖、免疫调节［24］。其中微小RNA（miRNA）在外泌体的生物学功能中发挥着重要作用。这些miRNA调节细胞周期和迁移（例如miR191、miR-222、miR-21和let-7a）、炎症（例如miR-204-5p）和血管生成（例如miR-222和miR-21）［25］。研究还表明线粒体和线粒体DNA（MtDNA）的转移可以通过MSC分泌胞外囊泡发生。MSC可以释放细胞外囊泡中的线粒体颗粒，这些颗粒携带MtDNA被巨噬细胞摄取，可以增强其氧化磷酸化活性［26］。Monsel等［27］还发现 MSC的胞外囊泡对重症肺炎小鼠的治疗作用，一部分可能是通过转移线粒体或者关键线粒体基因的mRNA来实现的。3.MSC的临床应用现状：多种疾病，包括肝硬化［28］、克罗恩病［29］和移植物抗宿主病［30］都已经进入了MSC治疗的临床试验。2018年，一种MSC产品获得了欧洲药品管理局的首个上市许可，用于治疗克罗恩病患者复杂的肛周瘘.这是MSC治疗的重大标志性进展［31］。对于呼吸系统疾病而言，MSC也展现了有希望的应用前景。截止到2020年5月，在临床注册研究数据库中，共有68个与呼吸系统疾病相关的MSC临床实验［32］。Weiss等［33］发现虽然经MSC治疗和未治疗的慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者之间肺功能检测和生活质量指标差异无统计学意义，但研究最重要的结论在于发现对中度至重度COPD患者静脉注射异基因MSC是安全的，未观察到严重不良事件、COPD加重频率增加或病情恶化。基于MSC的治疗特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）患者的安全性和有效性在临床试验中也得到评估［34, 35］。MSC最近也被认为是一种治疗新型冠状病毒肺炎（COVID-19）的方法［36］。截至目前，已经有31项与COVID-19相关的MSC临床实验［32］。已有的结果表明，MSC对于治疗COVID-19患者是安全有效的，特别是对于病情非常严重的患者［37］。截至2019年1月，在全球范围内进行了900多项MSC注册研究。大多数基于MSC的试验仍处于早期Ⅰ或Ⅱ阶段，只有一小部分（少于50个）处于Ⅲ阶段［38］，目前只有9种产品（约1%）已获全球市场批准［39］。这些试验，主要是一期和二期，证实了积极的安全性，但MSC的治疗效果在临床试验中并不令人满意［40］。在MSC从临床研究转移到临床应用之前，还有很多工作要做。在剂型、给药途径、剂量、频率和适应症等方面仍有待明确［41］。这些问题对基于MSC的治疗的临床发展提出了挑战，需要进一步的研究来更好地了解它们对不同疾病状态的影响，然后MSC的治疗效益才能转化为临床实践。 二、间充质干细胞治疗重症哮喘的机制 重症哮喘不同于轻-中度哮喘，它具有独特的炎症过程。在重症哮喘患者的气道内有更多的嗜中性粒细胞浸润、组织损伤及气道重塑。氧化应激与气道炎症相互作用，互为因果，是导致重症哮喘发生发展两个重要因素。重症哮喘患者对糖皮质激素的反应性降低也是重症哮喘患者的重要特征。
Lathrop等［42］发现在更严重的Th2/Th17介导的由真菌引发的急性中性粒细胞性过敏性气道炎症模型中，在激发阶段给予MSC刺激，可改善气道高反应性和肺部炎症。但在复发型重症哮喘模型中，MSC干预虽然可以改善气道高反应性，但并没有改善气道炎症，反而使中性粒细胞增多。这可能和气道炎症和气道高反应性并不总是同步发生有关，二者可能受到不同机制途径和遗传背景的影响。Hong等［43］发现人MSC可以通过减少中性粒细胞浸润和Th2激活来减轻聚肌苷酸胞苷酸［Poly（I：C）］诱导的中性粒细胞哮喘小鼠模型的气道炎症：将MSC与人支气管上皮细胞（BEAS-2B）共培养，发现在MSC干预下，IL-8的水平得到抑制；之后又将MSC与重症哮喘的外周血单个核细胞共培养，发现MSC抑制γ干扰素（IFN-γ）和IL-4的水平的同时，可以提高IL-10的水平。该研究表明对于重症哮喘的治疗而言，MSC是一个有前景的治疗手段。部分重症哮喘人群即使长期或大量使用糖皮质激素，哮喘症状仍难以得到控制。此类重症哮喘患者多属于中性粒细胞性哮喘。中性粒细胞从根本上对糖皮质激素具有耐药性，激素治疗可以延长中性粒细胞的生存期［44］。恢复糖皮质激素敏感性是重症哮喘患者治疗研究的一个重要方向。Fang等［45］成功地从iPSC中培养出MSC，并用其刺激卵清蛋白（OVA）/脂多糖（LPS）构建的激素抵抗小鼠模型，发现辅助性T细胞17（T helper cell 17，Th17）水平得到明显抑制，并改善了激素抗性中性粒细胞性哮喘小鼠模型的气道炎症。此外，该研究还发现MSC改善激素抵抗的机制一部分原因是通过抑制信号转导和转录激活因子3信号通路来实现的。国内有研究表明人脐带间充质干细胞能通过旁分泌作用调控IL-17发挥效应从而纠正糖皮质激素受体（glucocorticoid receptor，GR）α的核转运异常及GRβ的表达上调，从而达到治疗对激素不敏感的过敏性鼻炎的作用［46］。目前MSC对于重症哮喘激素不敏感的具体治疗机制仍需要进一步的研究，这对于重症哮喘的治疗有重大意义。当前越来越多的证据显示氧化应激在哮喘气道炎症中占有重要作用。活性氧（ROS）的增加，可以引起气道高反应增强和气道炎症加重，导致哮喘进一步恶化［47］。氧化应激还与重症哮喘的激素抵抗有关。氧化应激不仅可引起核因子-κB和激活子蛋白-1活性的增强，也可上调磷脂酰肌醇3-激酶δ亚型（PI3K-δ）的表达导致组蛋白去乙酰化酶2活性下调，从而降低GRα活性［48, 49］。研究表明，MSC可以修复氧化应激导致的多种损伤，具有修复细胞、促进血管生成、抑制组织纤维化以及调节免疫的作用［50］。目前还没有间充质干细胞对重症哮喘中氧化应激影响的研究，但在其他疾病的临床实验和动物实验中，均表明间充质干细胞可以减缓氧化应激。Chen等［51］发现脂肪来源间充质干细胞可以通过抑制氧化应激和炎症反应来减少缺血再灌注损伤后的肾脏损害。Chi等［52］发现脂肪源间充质干细胞可抑制脑中动脉闭塞模型大鼠的内质网应激，减轻炎症反应，从而改善血脑屏障状态。我们推测MSC也可以减少重症哮喘的氧化应激水平，从而改善气道炎症。另外，其是否能通过减弱氧化应激从而影响下游通路来改善激素抵抗也值得进一步的研究。作为一种细胞治疗手段，MSC在很多炎症疾病中都证明了有效性。但MSC移植也存在一定的风险。MSC治疗可能会引起机体的免疫反应过度抑制。有研究表明，在较短时间内接受MSC治疗的部分特发性肺纤维化患者中出现感染和呼吸道症状，提示基于MSC的治疗导致损伤肺的免疫反应过度抑制［34］。因此，应该明确确定移植MSC的最佳数量，以便在免疫抑制可能产生的有利和不利影响之间找到合适的平衡。另外，骨髓间充质干细胞移植的局部微环境中含有诱导移植骨髓间充质干细胞不必要分化的因子［53］。移植的MSC可能会产生不必要的分化。骨髓间充质干细胞移植的局部微环境中含有诱导移植骨髓间充质干细胞不必要分化的因子。间充质干细胞有可能分化成不需要的组织，包括骨和软骨。骨髓间充质干细胞移植后心肌梗死区域可见包膜结构。这些结构包含钙化或骨化［54］。将未分化的骨髓基质细胞移植到急性梗死心肌可能会诱发心肌梗死心肌内钙化的发展［55］。因此，新的研究应集中于定义影响MSC体内给药后命运的因素和信号通路。MSC有抑制抗肿瘤免疫反应和产生可能促进肿瘤生长的潜力。MSC可通过抑制抗肿瘤免疫和通过产生促血管生成因子诱导新生血管，促进肿瘤生长和转移。由于其免疫调节特性，MSC向原发肿瘤迁移［56］；抑制导致肿瘤生长增加的抗肿瘤免疫反应。研究表明，注射人MSC可促进荷瘤小鼠的肿瘤生长和转移，同时NK细胞和CD8+T细胞的细胞毒活性降低，MSC促进免疫反应向抗炎Th2通路极化，创造免疫抑制环境，促进肿瘤生长和转移的进展［57］。考虑到MSC在世界范围内经常被作为普遍的人类疗法却可能促进肿瘤生长和转移，利用MSC的研究应集中于持续监测和长期随访MSC治疗患者以确定MSC可能的促肿瘤以及其他不利影响。这些风险限制了MSC的进一步临床应用。一些研究人员建议，应将外泌体作为药物使用，而不是使用MSC［58］。因为外泌体与MSC相比，其具有更好的免疫原性，且无致瘤和栓塞形成的不良反应［59, 60］。MSC分泌的外泌体在哮喘中的作用已被证实与MSC自身对哮喘的作用相似。Du等［61］证实，MSC外泌体可以通过促进哮喘患者外周血中IL-10和人TGF-β1的分泌，促进调节性T细胞（Treg）的增殖和免疫调节能力，减轻肺部炎症。2018年国内研究者证实了骨髓间充质干细胞外泌体可以通过调节Treg/Th17的平衡来改善ova诱导哮喘小鼠的症状，减轻肺部炎症［62］。而对于重症哮喘而言，Cruz等［63］发现从人骨髓MSC提取的外泌体，可以减轻由真菌诱发的中性粒细胞介导的难治性哮喘模型的气道炎症以及气道高反应性，并且外泌体的抑制能力相比间充质干细胞更加有效。去除外泌体和可溶性因子后的间充质干细胞的抗炎效果明显减弱。但在外泌体治疗完全转化到临床实践之前，仍有一些障碍需要克服。其中一个主要障碍是产生外泌体的复杂过程。其成分多样性大，在生产和使用过程中受到不同因素的影响［64］。产生外泌体的过程中的质量控制（如鉴别、纯度、效力和稳定性）和药效学（如作用方式、有效成分）在进行临床试验前必须得到确认［65］。
三、展望 MSC治疗作为目前的研究热点，未来需要对其治疗机制进行进一步探索。另外，对于MSC治疗的安全性和有效性还需得到进一步评估。在动物实验中，证实了MSC治疗重症哮喘是一种有潜力的治疗手段，其可以有效地减少气道炎症和气道重塑。但对于其能否改善重症哮喘的氧化应激和激素抵抗，以及改善的具体机制还需要进一步的研究。相比较MSC在不少其他疾病进入临床试验甚至作为药物获得市场认可，在哮喘方面，目前只有三项研究在官方临床试验中心注册，这表明目前MSC在哮喘治疗中的应用仍处于临床前阶段［66］。仍需更多的临床试验来观察MSC在重症哮喘临床应用的效果和安全性。
参考文献（略）
|
