现代诊断与治疗杂志社

关键词：外泌体 肺纤维化 充质

李鑫丽,张春媚,赵忠岩

 

(吉林大学中日联谊医院 重症医学科,吉林 长春130033)

 

骨髓间充质干细胞(BMSCs)是一群具有自我更新能力并具有多项分化潜能的祖细胞,研究显示其能通过多种机制改善已经发生纤维化的肺内结构,恢复肺通气功能[1],其作用机制可能与抑制上皮-间充质转化(EMT),改善肺泡上皮损伤等多种途径有关[2-3]。本文就BMSCs在肺纤维化中抑制上皮-间充质转化的研究进展做一综述。

 

1 BMSCs抑制上皮-间充质转化的途径

上皮-间充质转化是指上皮细胞在细胞因子如转化生长因子β(TGF-β)等介导下失去其特定的内皮细胞标志物如内皮钙黏素(E-Cad),变为拥有间质标记,如α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)的肌成纤维细胞并在受损肺泡基底膜处聚集,成为“成纤维细胞灶”,过量分泌细胞外基质,如胶原蛋白从而发生肺纤维化的过程[4]。Jiang 等发现在二氧化硅(SiO2)诱导的小鼠肺纤维化模型中,α-SMA表达增加,血管结构破坏,内皮细胞损伤,BMSCs治疗两周抑制了SiO2诱导的E-Cad表达降低和间充质标志物表达增加,阻断SiO2诱导的胶原沉积持续增加,表明BMSCs对外界刺激引起的EMT产生治疗作用[5]。这一过程可能是通过多种途径实现的。

 

1.1 BMSCs抑制细胞外基质沉积

 

BMSCs除减轻肺上皮损伤并启动其修复外,还能通过减少细胞外基质(ECM)沉积的作用治疗肺纤维化。ECM沉积主要指胶原蛋白的沉积,是肺纤维化的典型病理改变,是肺功能丧失的直接原因,它既是EMT的结果,也是诱导EMT发生的直接因素。Wei等通过实验发现BMSCs移植通过下调矽肺大鼠ECM成分,包括纤维连接蛋白和胶原蛋白[6],从而抑制EMT,TGF-β/SMAD信号通路被认为是这一过程的主要参与者[7- 8]。结缔组织生长因子(CTGF)是一种ECM相关蛋白,与纤维化的形成直接相关,并可与TGF-β协同作用促进ECM的产生。Abdel等发现用BMSCs治疗胺碘酮诱导的肺纤维化大鼠,可使肺组织中Ⅰ型胶原和CTGF基因表达降低,胶原分泌减少,肺组织学改善[9]。因此,BMSCs可能在基因水平和分子水平同时作用减轻ECM沉积。

 

也有研究支持BMSCs通过调节肺纤维化过程中不同阶段基质金属蛋白酶(MMPs)和基质金属蛋白酶抑制剂(TIMPs)的含量来延缓肺纤维化的进展。在博莱霉素致肺损伤的早期阶段,MMPs的表达增多,活性增加,而TIMPs的表达相对降低,肺组织的胶原溶解活性增加。相反,在肺纤维化形成期,二者比例倒置,肺组织的胶原溶解活性降低,促进胶原蛋白沉积,加速肺纤维化[10]。Zhao等[3]通过分析比对一系列此类研究发现,在肺损伤的早期炎症阶段,BMSCs可以通过下调MMPs的表达来减少MMPs对肺组织的损伤,而在纤维化后期,BMSCs上调MMPs的表达,抑制TIMPs的活性,从而促进MMPs对胶原蛋白的溶解作用,恢复受损组织的结构和功能。

 

1.2 BMSCs改善组织内稳态

 

在肺纤维化早期阶段,持续存在的异常刺激物导致肺泡内炎症反应发生,大量炎症因子释放,破坏肺内免疫稳态,促进上皮-间充质转化的发生[11]。Chen等发现BMSCs移植可抑制百草枯中毒小鼠肺组织中肿瘤坏死因子α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)、白细胞介素-6(IL-6)等促炎细胞因子的产生,最终减轻肺纤维化[12]。这与Gad等的实验结果一致[7]。Wei等[6]研究表明,BMSCs可抑制SiO2诱导的大鼠肺组织和支气管肺泡灌洗液中炎性细胞因子TNF-α、IL-1β和IL-6的表达。也有多项研究显示BMSCs可直接分泌抑炎因子如白细胞介素-10(IL-10)、前列腺素E2、白细胞介素-1受体拮抗剂等[13],起到抑制炎症反应,减轻肺泡上皮损伤的作用。同时,BMSCs治疗还可显著改善丙二醛、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽和氧化谷胱甘肽等氧化损伤指标,对肺组织起到保护作用[14]。

 

BMSCs对炎症或损伤部位具有趋向性[2],表现出很强的迁移能力,归巢至受损的肺组织[13,15-17],起到免疫调节作用。有研究发现[18]在结缔组织病导致的间质性肺炎及肺纤维化过程中,细胞毒性T细胞水平升高,并伴随调节性T细胞水平降低,而体外添加BMSCs可以逆转这一变化,并促进抗纤维化因子(干扰素诱导蛋白-10)的产生,阻止肺纤维化的进展。这与Takao等[19]的研究结果一致,BMSCs通过诱导调节性T细胞入肺,纠正细胞因子平衡失调,从而抑制博莱霉素诱导的肺部炎症和纤维化。BMSCs本身具有免疫原性,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症反应,起到保护肺组织的作用[20]。也有研究显示BMSCs通过产生免疫抑制分子促进巨噬细胞从促炎表型向抗炎表型极化,发挥抗炎作用[21],从而减轻肺上皮细胞及内皮细胞损伤,从而阻断其发展为肺纤维化。

 

1.3 BMSCs的修复作用

 

肺泡上皮损伤被认为是肺纤维化早期的重要特征,持续的上皮损伤激活成纤维细胞,促进纤维化[22]。反复发生、迁延不愈的上皮细胞损伤和异常的修复过程最终导致肺纤维化[23]。BMSCs具有多项分化潜能,可分化为不同类型的细胞,如Ⅱ型肺泡上皮细胞,参与肺损伤的修复过程[13,20]。肺纤维化的发展过程中,BMSCs可分化为Ⅱ型肺泡上皮细胞,增加受损部位的肺泡上皮细胞来源,增强其损伤修复能力来缓解肺纤维化的发生。另一方面,BMSCs还可以通过抑制肺泡上皮细胞凋亡减少肺组织损伤[20]。有研究者发现在体外实验中BMSCs减少百草枯诱导的肺上皮细胞凋亡[12]。Zhao等[24]研究显示给予矽肺小鼠模型移植BMSCs后凋亡相关蛋白包括Bax显著下调,Bcl-2/Bax显著上调,热裂解相关蛋白显著减少,而对自噬相关蛋白无显著影响,因此BMSCs主要通过抑制凋亡和焦亡保护肺组织免受严重纤维化。

 

2 BMSCs抑制上皮-间充质转化的分子机制

BMSCs通过多种途径抑制上皮-间充质转化,其分子机制涉及多条信号通路的参与。

 

2.1 经典Wnt信号通路

 

Wnt/β-catenin信号通路在进化过程中高度保守,通过调节干细胞的多能性,在发育过程中决定细胞的分化命运。Wnt11通路的激活还被证实可以诱导肌成纤维细胞分化,使α-SMA表达增加,发生间质性变。越来愈多的研究显示Wnt/β-catenin信号通路参与了由各种原因导致的肺纤维化[25-26]。Zhang等[27]通过检测EMT和Wnt/β-catenin通路相关蛋白的表达证实BMSCs移植可抑制EMT,减轻大鼠SiO2诱导的肺纤维化,并发现其抗纤维化作用可能是通过减弱Wnt/β-catenin信号通路来实现的。

 

2.2 外泌体的作用

 

外泌体是由细胞分泌的双层脂质膜囊泡[28]。越来越多的证据表明,外泌体通过装载miRNAs、蛋白质和脂质等物质进行细胞间的信息传递,在包括细胞分化、免疫反应等多种细胞活动中发挥重要作用[29]。miR-466f-3p是外泌体携带的一种miRNAs,主要通过抑制AKT/GSK3β通路发挥保护作用。Li等[26]通过miRNAs微阵列分析显示,骨髓间充质干细胞外泌体通过分泌miR-466f-3p进而靶向AKT/GSK3β信号通路可以减轻外源性辐射诱导的EMT,支持外体miR-466f 3p的抗纤维化特性。

 

2.3 SMAD蛋白家族的作用

 

SMAD蛋白家族是位于细胞质中的TGF-β受体激酶的下游底物。它将TGF-β信号从细胞膜传递到细胞核,调节促纤维化基因,激活α-SMA的基因表达,促进成纤维细胞向肌成纤维细胞分化,诱导EMT,并通过SMAD蛋白增强胶原蛋白和基质沉积[8]。Wei等[6]研究显示BMSCs抑制硅诱导的TGF-β1、SMAD2和SMAD3升高和SMAD7降低。表明TGF-β1/SMAD信号通路可能是BMSCs抑制EMT的作用靶点,而这一作用也与外泌体的分泌功能密切相关[8,30]。

 

3 展望与小结

一部分学者认为BMSCs不但在炎症的最初阶段,而且能在随后的慢性纤维化阶段改善肺纤维化[31]。但也有研究表明BMSCs对肺纤维化的逆转作用仅局限于疾病早期。Srour等[32]发现,在损伤后早期给予BMSCs可减轻炎症反应并减轻博莱霉素诱导的小鼠肺纤维化程度。然而,博莱霉素给药后7天给予BMSCs对小鼠或猪肺中已建立的纤维化变化没有影响,并且会增加受损组织中的瘢痕形成,恶化疾病进程。BMSCs的作用时机仍需进一步研究探索。另一方面,为了提高BMSCs向受损肺组织的迁移速度及提高利用率,有学者提出气管内或支气管内途径可能增强BMSCs的功效[2]。因此,BMSCs对肺纤维化的逆转作用的最佳时机、作用途径等需要进一步研究阐明。