间充质干细胞治疗支气管哮喘的研究进展
2010/12/06
丁娟娟 陈卓昌
河南省人民医院呼吸科 郑州 450003
支气管哮喘（简称哮喘）是常见的慢性呼吸道疾病之一，近年来其患病率在全球范围内有逐年增加的趋势。哮喘是由多种细胞包括气道的炎性细胞和结构细胞（如嗜酸粒细胞、肥大细胞、T淋巴细胞、中性粒细胞、平滑肌细胞、气道上皮细胞等）和细胞组分参与的气道慢性炎症性疾病[1]。哮喘目前尚不能根治，治疗以患者的病情严重程度为基础，根据其控制水平类别选择适当的治疗方案，目前《全球哮喘防治创议(GINA)》推荐ICS联合LABA治疗方案，使大多数哮喘患者症状得到控制，减少发作频率，降低气道高反应性，改善肺功能。但临床上仍有10％～20％的难治性哮喘患者，病情难以控制，反复发作，已成为哮喘治疗的难点，因此有必要寻求哮喘防治新方法。间充质干细胞(mesenchymal stem cell，MSC)是一类具有自我增殖和分化潜能的多能干细胞，MSC除组织修复和再生功能外，还有抑制炎症及免疫调节功能，现将间充质干细胞(MSC)治疗哮喘的实验进展及机制研究作一综述。
1. 间充质干细胞的生物学特性及免疫性特点
干细胞治疗是分子医学领域有极为广阔发展前景。在干细胞家族中，间充质干细胞（mesenchymal stem cells,MSC）有着最佳医学应用成效。它来源于中胚层，最早于骨髓中发现的一类非造血干细胞，具有分化为多种组织细胞的潜能，包括间充质和非间充质细胞谱系。间充质细胞可分化为脂肪、骨、软骨、肌肉、肌腱、韧带、神经、肝、心肌、内皮等多种组织细胞[2]，MSCs已经被从骨髓和其他组织器官分离出来，包括脂肪、滑膜、骨骼肌、真皮、毛细血管、骨小梁、脐带、肺、牙髓、羊水、胎肝，甚至在外周血，证明了MSCs以各种形式分布于全身[3]。MSC最常见的来源就是骨髓来源的MSC（bones marrow-derived mesenchymal stem cell BMDMSC），目前绝大多数关于肺部疾病的MSC是骨髓来源的MSC。MSC具有强大的增殖能力和多向分化潜能，具有来源方便，易于分离、培养、扩增和纯化，多次传代扩增后仍具有干细胞特性。MSC除组织修复和再生功能外，还有抑制炎症及免疫调节功能，通过细胞间的相互作用及产生细胞因子抑制T细胞的增殖及其免疫反应 ，从而发挥免疫重建的功能。
研究表明，MSC尚具有免疫抑制作用。MSCs不表达或仅表达极低水平的MHC-II类分子和共刺激分子，缺乏免疫原性，因此MSCs能逃避免疫系统的免疫排斥。异基因MSCs不但可以进入受体的免疫器官，而且可较长期存在。MSCs可以分泌细胞因子，如IL-6、IL-7、IL-11、IL-12、IL-15等产生免疫抑制作用，提示MSCs可通过多种途径发挥免疫调节作用[4]。
MSC不仅具有专一的“归巢”至损伤组织，在目标组织中抑制免疫及炎症反应，向多种组织细胞分化而不涉及伦理道德方面问题的特征，而且具有易于分离、体外培养扩增，易于外源基因导人和表达，免疫原性低(天然无免疫原性)，免疫耐受，排斥反应小，体外长期培养过程中始终保持多向分化的潜能，遗传背景稳定等特点。MSC对各种免疫细胞如T淋巴细胞、B淋巴细胞、抗原呈递细胞、自然杀伤(NK)细胞等均具有免疫调节作用，而且体外扩增培养的MSC在体内也可发挥免疫调节作用[5]。并且MSC的免疫抑制作用并不随着分化而消失，已诱导分化为骨细胞和脂肪细胞的MSC仍有免疫抑制作用[6]。最新研究认为，干扰素(IFN-ʏ)与致炎细胞因子中肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、白细胞介素一1(IL-1α或IL-1β)中的任何一种联合使用，都会诱导趋化因子和一氧化氮(NO)的协同作用以促进MSC免疫抑制[7]。正是由于上述独特的优势，近年来MSC被大量应用于创伤、炎症损伤修复以及抗炎和免疫调节的实验研究。
2. MSC治疗支气管哮喘的机制
哮喘发病的危险因素主要分为宿主因素(即遗传因素)和坏境因素，目前资料表明，哮喘发病机制涉及多种基因，不同基因在不同种族中表达不同，对哮喘基因的研究主要集中于4大领域：抗原特应性IgE抗体、气道高反应性的表达、辅助性T细胞Thl/Th2免疫反应和炎症介质。参与气道炎症的细胞有嗜酸性粒细胞、肥大细胞、T淋巴细胞等，其中CD4+T细胞(Th)对气道炎症起主要调控作用[8]。
目前，很多研究已证实了间充质干细胞有免疫调节和抑制急性炎症的作用，MSC可以抑制T细胞、B细胞、自然杀伤细胞和树突状细胞在内的多种免疫细胞的增殖和活化。最近的一些研究显示了MSC在几种物理或化学因素导致的肺部损伤动物模型中显著的免疫调节作用。间充质干细胞在卵清蛋白诱导小鼠支气管哮喘模型中抑制炎症的作用已引起关注。Weiss[9]等发现MSC的应用能显著降低气道高反应性和减少支气管肺泡灌洗液中嗜酸性细胞；下调Th2细胞因子分泌水平。MSC对变应原诱导的变应性肺部炎症也有抑制作用。博莱霉素气管内给药后，立即全身内或气管给予MSC可以有效减少后期肺部的胶原聚集和纤维化[10]。气管内给予MSC可以有效减轻农吉利碱导致的肺部血管损伤[11]。
黄芸[12]等实验通过给致敏小鼠尾静脉注射MSC,诱导其哮喘观察肺组织气道炎症情况,计数BALF内总细胞数及嗜酸粒细胞数,ELISA检测BALF中肥大细胞脱颗粒作用。并与哮喘组做比较，结果显示：给予外源性MSC治疗的哮喘小鼠肺组织炎症细胞浸润减轻，气道内嗜酸粒细胞数量减少，肥大细胞脱颗粒作用减弱，哮喘肺组织的炎症明显减轻。从而MSC对哮喘小鼠肺组织的炎症也有下调作用。与其对哮喘小鼠体内过度的Th2变态反应的抑制有关。进一步的实验表明MSC下调Th2细胞因子IL-5、IL-9，提示MSC通过抑制过度Th2变态反应，减轻了哮喘肺组织的气道炎症.从而，MSC对变应原诱导的变应性肺部炎症也有下调作用。
Nemeth[13]发现在豚草诱导小鼠支气管哮喘模型中，MSC可以抑制Th2主导的变态反应。激发豚草致敏小鼠后，立即静脉应用MSC可以有效抑制哮喘引起的病理改变，包括减少嗜酸性细胞的浸润和气道的粘液分泌；下调支气管肺泡灌洗液中Th2细胞因子（IL-4, IL-5, 和IL-13)水平；降低Th2免疫球蛋白(IgG1 and IgE)血清水平。IL-4和/或 IL-13激活了MSC中的STAT6信号通路，导致TGF-β产生增多，TGF-β可单独或与调节性T细胞（可能由MSC募集）抑制哮喘发作。可见MSC除了可以应用于移植免疫反应及自身免疫疾病，可能是变态反应性疾病尤其是激素抵抗性哮喘的细胞治疗的新靶点。
过敏性鼻炎与哮喘密切相关的另一疾病，不仅因为它们是发生于呼吸道不同部位同样的病理生理过程，最近研究表明尽早有效干预过敏性鼻炎可以推迟哮喘的发生。当两者同时存在时，过敏性鼻炎的治疗可以减轻哮喘的症状和发作时的严重性，可以降低哮喘的发病率，它成为细胞治疗的新靶点。Cho[14]等发现：在过敏性鼻炎小鼠模型，脂肪组织来源的干细胞部分地抑制了嗜酸性粒细胞为主的炎症。机制是Th2型免疫反应向Th1型免疫反应的转换。在卵清蛋白致敏小鼠之前，采集同种脂肪来源的干细胞（adipose tissue-derived stem cell ASC），致敏后，静脉应用这些ASC后，检测血清中IgE、IgG1和IgG2a，同时收集脾细胞检测细胞因子，并采集鼻粘膜做免疫组化。结果显示：同对照组相比，IgE、IgG1、IgG2a和IgG1/IgG2a明显降低，IL-4、IL-5的降低和ʏ-干扰素的升高。治疗组鼻粘膜免疫组化显示：ASC被募集到鼻粘膜组织，炎症细胞和嗜酸性细胞在鼻粘膜渗出减少。打喷嚏和擤鼻涕症状也有所减轻。表明干细胞不仅应用于炎症病变，而且也可应用于变态反应性疾病。
3. MSC参与肺组织修复
Yen[15]等提出，MSC具有分化为多种组织细胞的潜能，可以分化为支气管肺泡上皮、血管内皮以及间质细胞，可以参与肺修复。BMSCs通过细胞融合参与组织修复研究表明，在组织受到损伤后，骨髓来源的干细胞流入靶组织并分化成为该组织的结构细胞。可能的机制是干细胞分化过程中存在细胞融合现象，即与相应组织细胞的直接接触可能是影响干细胞定向分化的关键因素。有学者认为移植的干细胞表型的改变并不说明就一定是其分化的结果，有可能是移植的十细胞与宿主细胞之间发生了细胞融合。这种细胞融合的形成有利于细胞之间的物质交流和信号连通。但也有学者认为在体细胞融合发生概率极低，属偶发现象，因此这一现象发生的生物学意义尚需进一步论证。
4.存在问题和展望
目前，干细胞研究方兴未艾。因其具有易于扩增和诱导分化的干细胞特性，加之其来源丰富，采集方便及其移植后的特殊免疫耐受特点，向人们展示了其在组织损伤修复及替代方面的广阔应用前景。也成为哮喘治疗的新的研究热点，可能是变态反应性疾病尤其是激素抵抗性哮喘的细胞治疗的新靶点。MSC在支气管哮喘的免疫调节、炎症抑制以及组织修复有着治疗作用，但MSC治疗安全性和有效性仍有待于进一步临床研究及试验。MSC治疗可引起治疗者感染由供者携带的细菌和病毒以及变态反应等[16]。在MSC治疗几月或几年后，可能会引起致命的或严重的肺炎链球菌感染。也有报道移植造血干细胞后，引起闭塞性细支气管炎伴机化性肺炎[17]，具体机制待进一步研究。MSC可以引起上皮细胞转变为间质细胞，可能会引起细胞外基质的沉积和肺间质纤维化。研究面临着几个亟待解决的问题：与治疗相关的细胞移植、移植物移入、归位和体内的分化等仍需进一步研究。干细胞治疗的广泛运用必须依赖于有效的．大规模的培养、储存，而支架对其运用也起着相当重要的作用。在过去干细胞研究中对MSCs生物学特性已有了相当的认识，这对其运用于临床治疗提供了坚实基础，随着对其特性的不断揭示，MSC在临床治疗应用有着理想前景。
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