详情
您现在的位置: 首页 / 科普教育

脐带间充质细胞治疗支气管肺发育不良的机制及临床应用进展

发布时间: 2024-01-22 14:17:14 浏览次数: 722来源:中华新生儿科杂志

支气管肺发育不良是早产儿常见的呼吸系统并发症,重症患儿缺乏有效治疗手段,严重影响早产儿存活率和生存质量。间充质细胞移植是近年来支气管肺发育不良防治的热点研究方向,临床应用前景广阔。人脐带间充质细胞因易获取、安全性高等优点受到广泛关注,许多研究对其作用机制进行了深入探索。本文对脐带间充质细胞治疗支气管肺发育不良的作用机制、临床应用现状及未来发展方向等进行综述。


支气管肺发育不良(bronchopulmonary dysplasia,BPD)发病机制复杂,早产、高氧暴露、炎症、机械通气是主要高危因素,表现为肺损伤和修复失衡引起的肺泡简单化、肺纤维化和肺血管发育障碍1]。研究表明,高氧或炎症导致肺损伤后,间充质细胞(mesenchymal stromal cells,MSCs)可改善肺泡简单化和血管发育障碍,减轻肺纤维化,提高肺功能,缓解肺动脉高压2, 3, 4]。人脐带间充质细胞(human umbilical cord-derived mesenchymal stromal cells,hUC-MSCs)容易提取、培养,可增殖和预存,适用于自体移植5]。此外,与干细胞相比,MSCs具有更高的增殖率和更低的免疫原性,移植后成瘤风险低。


一、hUC-MSCs的特点


hUC-MSCs可从脐带不同组织(脐静脉内皮、内皮下层、血管及其周围组织)中分离提取6]。与其他来源MSCs(如骨髓、脐血)比较,hUC-MSCs含量更丰富,增殖能力更强7]。hUC-MSCs为非造血类干细胞,表面不表达造血前体细胞的标志抗原CD34和人类白细胞Ⅱ类抗原,不表达或低表达人类白细胞Ⅰ类抗原,且可以通过分泌细胞因子抑制移植排异反应8],这些特性提高了hUC-MSCs临床应用的安全性。


二、hUC-MSCs防治BPD的机制


经典型BPD的主要病理学表现为气道损伤、炎症和肺实质纤维化,但随着产前糖皮质激素和产后肺表面活性物质的广泛应用,小胎龄、低体重早产儿存活增多;新型BPD呈现新的病理特点,表现为肺泡间隔减少、肺泡发育不良和肺血管发育障碍等,肺泡、毛细血管分布异常、弹性组织生成增加和间质增厚,进而导致肺内气体交换面积减少、肺动脉高压等异常。以往认为,hUC-MSCs主要通过细胞定向分化进行组织修复,但近年来更多研究证实hUC-MSCs通过旁分泌功能发挥作用。hUC-MSCs的旁分泌物质包括外囊泡(extracellular vesicles,EVs)、微小RNA、干细胞因子等,其中直径30~100 nm的EVs称为外泌体[9]。EVs可能是MSCs发挥作用的主要成分[10, 11]。hUC-MSCs-EVs分离提取技术现已成熟,在动物实验中可通过腹腔注射[11]、气管滴注[12]等方式发挥作用。hUC-MSCs主要通过以下机制防治BPD。

(一)促进肺泡化

肺泡形成障碍是BPD发生的重要原因,MSC-EVs可能通过特定信号通路影响肺泡上皮细胞转化。Willis等13]研究显示使用MSC-EVs可显著改善与BPD相关的肺损伤评分和肺泡化障碍。Sucre等14]研究发现,高氧暴露时肺组织Wnt-5a增加,同时发生肺泡化障碍和肺泡间隔增厚。在高氧肺损伤BPD大鼠模型中,原代肺泡2型上皮细胞(type 2 alveolar epithelial cells,AT2)向肺泡1型上皮细胞(type 1 alveolar epithelial cells,AT1)转化增多,Wnt-5a是 AT2 转化的关键因子10, 11]。靶向干预Wnt-5a可能对BPD有潜在治疗作用。Ai等11]研究通过腹腔注射hUC-MSC-EVs干预高氧肺损伤模型,发现hUC-MSC-EVs可显著降低Wnt-5a表达水平,延迟AT2细胞转化,改善肺泡化障碍。

(二)改善肺血管发育障碍

肺微血管发育障碍是新型BPD的另一主要特征。血管内皮细胞能够促进肺泡上皮细胞增殖、成熟,驱动肺泡发育15]。血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)在肺中表达并促进内皮细胞生长和重塑,对MSCs在组织损伤、血管化障碍修复过程中的迁移模式起关键作用。VEGF与基质细胞衍生因子受体结合促进MSCs迁移和分化,刺激MSCs 向炎症部位归巢5,16]。You等12]通过气管内注射hUC-MSC-EVs,发现hUC-MSC-EVs可增强VEGF和磷酸化蛋白激酶B活性、抑制PTEN基因表达,促进血管生成和修复,改善肺血管发育障碍,缓解肺动脉高压。Chaubey等17]通过腹腔注射hUC-MSC-EVs,发现MSC-EVs能够显著改善BPD模型新生小鼠的肺动脉高压和右心室肥厚。

(三)免疫调控和抗炎作用

炎症反应和免疫紊乱是BPD的重要不良驱动因素。肺部有免疫调节作用的细胞主要有巨噬细胞、T细胞和自然杀伤细胞。MSCs通过调控免疫细胞介导肺部免疫发挥抑制炎症反应的作用。巨噬细胞是调控肺部免疫反应的关键细胞,表型多样,参与BPD炎症反应的起始和消退过程19, 20]。M1表型巨噬细胞分泌趋化因子CCL2、CCL7和白细胞介素6等促炎因子;M2表型巨噬细胞分泌Arg1、CD206和CCL17等抑炎因子,在组织修复中起重要作用12, 13]。Willis等13]研究发现hUC-MSC-EVs能够调控巨噬细胞极化,抑制M1、促进M2表型分化,作用呈剂量依赖性。亦有研究认为,MSC-EVs通过转移自身线粒体至巨噬细胞内调控巨噬细胞21, 22],或通过调整miRNA调节肺部炎症反应。除调控巨噬细胞外,hUC-MSCs还能调控其他免疫细胞,如T细胞、自然杀伤细胞与MSCs共培养时增殖均受抑制,γ-干扰素等相关炎症因子表达减少23- 24]。MSCs还通过分泌蛋白分子发挥炎症调节作用,如MSCs分泌的肿瘤坏死因子α-刺激基因-6蛋白(TNF-stimulated gene 6 protein,TSG-6)是一种多功能蛋白,受促炎刺激分泌增加,可降低BPD小鼠促炎细胞因子肿瘤坏死因子α和白细胞介素1β的产生17]。TSG-6还可与CD44结合,调控巨噬细胞极化,并抑制中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞浸润25],发挥抗炎作用。

(四)抗氧化作用

高氧暴露诱发体内形成高活性氧自由基是BPD发病的关键介质26]。正常情况下,细胞转录因子核因子E2 相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2,NrF2)与其主要的负调节因子Kelch 样环氧氯丙烷相关蛋白1协同形成分子效应器和传感器系统,维持细胞氧化-抗氧化平衡。MSC-EVs 携带的miRNA 能够激活NrF2,高表达过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶,调节氧化-抗氧化平衡27, 28],缓解氧自由基损伤。Zhao等29]发现NrF2防御系统在hUC-MSCs-Evs治疗急性肺损伤模型小鼠中发挥抗氧化作用。此外,细胞在氧化应激和炎症状态下释放活性氧自由基,触发MSCs线粒体向受损细胞转移,通过减少线粒体活性氧自由基产生、降低电子转运链复合物活性,逆转细胞氧化应激,减轻细胞损伤9]

(五)改善肺纤维化

肺纤维化是经典型BPD患儿的重要病理表现。在BPD高氧模型中,肿瘤坏死因子α等促炎细胞因子生成增加,促进转化生长因子β1(transforming growth factor β1,TGF-β1)表达,进而激活TGF-β/Smad 信号通路,诱导肌成纤维细胞合成弹性蛋白等细胞外基质成分30, 31],异常积累的细胞外基质阻碍正常肺泡发育,诱发肺纤维化,上述过程可以被MSC抑制。体外研究发现由hUC-MSCs诱导分化的AT2,即hUC-MSC-AT2,能减轻TGF-β1诱导的小鼠肺上皮细胞凋亡,改善肺纤维化32]。在其他的肺纤维化模型中,MSC也显示出改善肺纤维化的作用,Poletti等33]通过气管内移植hUC-MSCs,可改善博莱霉素诱导的肺纤维化。另有研究发现MSCs 能够通过Wnt 相关信号抑制TGF-β表达,进而改善肺纤维化34]


三、hUC-MSCs用于BPD患儿的临床研究


目前已完成MSCs防治早产儿BPD的Ⅰ期和Ⅱ期临床研究35, 36, 37]。Ahn等36]发表的Ⅱ期临床研究,初步证实了MSC气管内给药的安全性和可行性。检索https://clinicaltrials.gov/数据库(检索日期:2023-08-23)关于hUC-MSCs移植治疗BPD的临床研究,目前有9项hUC-MSCs临床干预BPD的研究正在开展,包括5项Ⅰ期研究、1项Ⅱ期研究和3项Ⅰ/Ⅱ期同时进行的研究。除临床试验外,尚有部分病例报道。2019年越南报道了4例重症BPD患儿静脉给予hUC-MSCs治疗,间隔7 d共使用两次,治疗后肺部纤维化改善,随访至出院后1年,所有患儿均明显好转,并脱离氧气支持38]


四、未来研究方向


旁分泌功能是hUC-MSCs发挥治疗作用的主要途径。作为hUC-MSCs治疗的替代,hUC-MSCs培养基或外泌体治疗是可行的,临床应用前景广阔。hUC-MSCs防治BPD的机制和安全性正在逐步探索中,距离临床应用尚有距离。此外,尽管大量研究证明hUC-MSCs移植可减轻肺损伤,且MSCs在早产儿BPD治疗中Ⅰ/Ⅱ期临床试验未发现明显的短期不良反应35,39],但尚缺乏hUC-MSCs防治BPD的统一方案,未来需进一步完善BPD预测模型、探索治疗时间窗和最佳治疗剂量等问题。

五、总结


随着小胎龄、低体重早产儿存活率的提高,BPD患儿的绝对数量不断增加,近年来,以细胞为基础的治疗方法为BPD防治带来新希望。hUC-MSCs易获取,具有改善肺泡化、减轻肺血管发育障碍、调节肺部免疫、抑制肺部炎症、改善肺纤维化等作用,在前期动物、细胞以及临床研究的基础上,未来应进一步探索hUC-MSCs的作用机制,为重症BPD患儿的救治提供新思路,提高超早产儿生存率和生存质量。


引用本文:

卜星河, 高瑞伟. 脐带间充质细胞治疗支气管肺发育不良的机制及临床应用进展 [J] . 中华新生儿科杂志(中英文), 2023, 38(11) : 697-700. DOI: 10.3760/cma.j.issn.2096-2932.2023.11.015.