鄧芝花 陳垚鑫 錢進先

特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)是一種慢性進行性肺病,被認為是多種遺傳因素與環(huán)境因素共同作用的結果,特征是纖維化引起的肺結構進行性和不可逆性破壞[1]。肺泡上皮的損傷引起肺泡結構破壞和上皮細胞減少,促進炎癥因子的釋放從而激活免疫細胞。炎癥細胞和受損的上皮細胞促進細胞因子(TNF-α,IL-1β等)的上調,從而促進成纖維細胞轉化為肌成纖維細胞。肌成纖維細胞產生膠原蛋白等物質,導致肺纖維化[2-3]。目前,除肺移植外,依賴于藥物治療的常規(guī)療法以延緩肺纖維化進展、減緩肺功能下降為目標,但在逆轉肺損傷或延長IPF患者的生命方面未顯示出理想的效果[4]。因此,在了解其病理機制的基礎上,探索新藥的研制顯得迫在眉睫。近年來干細胞治療方面的研究給許多疾病治療提供了新的思路,但由于干細胞易受環(huán)境影響,越來越多的研究把關注點聚焦到更穩(wěn)定更安全的外泌體(exosomes,Exos)上。本文就間充質干細胞源性外泌體(mesenchymal stem cell-derived exosomes,MSC-Exos)對IPF的治療研究現(xiàn)狀作一綜述。

一、MSCs與Exos

1 MSCs的生物學特征

MSCs是一類具有自我更新和多向分化能力的多功能干細胞,可來源于人體的多種組織,包括腦、肝、肺、胎兒血液、臍帶血和腎臟等[5],具有分化為成骨細胞、軟骨細胞等其他類型細胞的能力。在分化過程中,MSCs分泌細胞生長因子間接促進受損組織的再生和修復。此外,MSCs還能通過分泌免疫調節(jié)因子或表達膜受體,直接影響T細胞、B細胞、樹突狀細胞和NK細胞的增殖和活化[6]。

2 Exo的生物學特征

細胞外囊泡(extracellular vesicles, EVs)是一種由細胞釋放到細胞外基質的膜性小囊泡,通常根據(jù)其大小,產生方式和分泌機制被主要分類為Exo,微囊泡和凋亡體[7]。其中,體積最小的Exos穩(wěn)定性最好[8]。最初的Exos僅被認為是廢物載體,但越來越多的證據(jù)表明,Exos能通過攜帶來自親本細胞的生物活性物質在細胞間通訊中發(fā)揮重要作用。Exos可以結合到靶細胞表面,直接進入或激活靶細胞表面受體,發(fā)揮介導抗原提呈等生物學功能[9]。

相比于MSCs而言,Exos尺寸小,可通過過濾進行滅菌,能降低生物污染風險;Exos不能自我復制,能降低醫(yī)源性腫瘤的發(fā)生;MSCs的生物學功能和特征容易受環(huán)境影響重新編程,而Exos相對穩(wěn)定;Exos的冷凍、解凍、儲存條件沒有MSCs嚴苛,其更容易處理,更容易以規(guī)?；问缴a[10]。Exos被認為比合成納米級載體具有更好的安全性[11],用Exos治療替代干細胞治療是新的研究熱點。

二、MSC-EXOs對IPF的治療機制

IPF是一種慢性間質性疾病,致病過程的核心是肺上皮損傷和功能障礙。在肺上皮損傷后,生長因子和細胞外基質驅動的信號傳導共同激活多種修復途徑,導致炎癥細胞募集、成纖維細胞增殖和細胞外基質擴增,最終導致組織纖維化[12]。研究表明[13],間充質干細胞移植是治療IPF的有效途徑。但由于其不穩(wěn)定性,生物學功能和特征容易受環(huán)境影響重新編程,直接使用可能引起免疫排斥反應或致瘤性[14]。先前的研究把MSCs的治療作用歸因于它的局部移植和分化成多種組織的能力,但最近的研究表明,高達80%的成體干細胞是通過旁分泌介導產生作用。而旁分泌產生的Exos,因易生產、易儲存、可大量制備、低免疫原性且與 MSCs 擁有相同治療效果等優(yōu)點,已被廣泛應用于包括IPF在內的多個疾病領域。MSC-Exos對IPF的治療主要體現(xiàn)在抑制成纖維細胞增殖、活化,降低膠原蛋白過表達,抑制上皮-間質轉換,抑制炎性因子釋放,調控免疫反應及調節(jié)巨噬細胞表型等過程[15-18]。

1 抑制成纖維細胞增殖、降低膠原蛋白過表達

成纖維細胞是合成結構蛋白(如膠原蛋白和彈性蛋白)的細胞,在維持組織的結構完整性方面起著至關重要的作用[19]。其中,TGF-β1誘導的肌纖維細胞分化是IPF發(fā)病機制的關鍵因素[20]。TGF-β1是一種強大的促纖維化介質:能促進上皮間充質轉化、成纖維細胞增殖和轉化為肌成纖維細胞[21]。Xu等人[22]發(fā)現(xiàn)人臍帶MSC-Exos(hUCMSC-Exos)的let-7i-5p可以靶向TGF-β R1,通過TGF-β R1/ Smad3信號通路抑制肺成纖維細胞活化。進一步研究發(fā)現(xiàn),來源于MSC-Exos的微小RNA(miRNA)通過調節(jié)信號通路,抑制成纖維細胞的增殖。Huang等人[23]發(fā)現(xiàn)miR-101通過靶向卷曲蛋白受體4/6抑制NFATc2信號傳導,抑制WNT5a誘導的肺成纖維細胞增殖,并通過靶向TGF-β R1抑制Smad2/3信號傳導,抑制TGF-β誘導的肺成纖維細胞活化。此外,Zhou等人[24]發(fā)現(xiàn),骨髓MSC-EV攜帶的miR-186通過下調SOX4和DKK1,使得G0/ G1期成纖維細胞的比例和細胞凋亡顯著增加,從而抑制成纖維細胞的增殖,侵襲和分化。同時下調α-SMA和膠原蛋白Ⅰ,降低膠原蛋白和羥脯氨酸含量。從而延緩了IPF病理發(fā)展,進而提出治療肺纖維化的新型靶點。

2 抑制上皮-間質轉換

上皮-間質轉換(epithelial mesenchymal transformation,EMT)是由一個完全分化的上皮細胞逐漸轉化為間充質細胞的過程,是正常胚胎生長發(fā)育所必需的生理過程且通常可逆,也發(fā)生在損傷、癌變和纖維化的反應期間[25]。EMT過程的失調可形成促纖維化微環(huán)境,從而促進肺纖維化的發(fā)展[26]。體外實驗發(fā)現(xiàn)[16],hUCMSC-Exos可通過抑制TGF-β1/Smad2/3信號通路激活的EMT過程緩解小鼠肺纖維化,表明TGF-β1/Smad通路正向調控EMT過程。而在用骨髓MSC-Exos(BMSC-Exos)治療肺纖維化大鼠模型實驗中[27],也證明其通過降低TGF-β1的水平和抑制EMT進展來緩解肺纖維化。進一步研究中發(fā)現(xiàn)Exos中miRNA也在EMT過程中起著重要作用。Sun等人[17]觀察到子宮內膜MSC-Exos攜帶的let-7不僅可以抑制小鼠EMT的過程并減弱肺部組織纖維化,還可以將let-7轉移到肺泡上皮細胞中以減輕細胞損傷。還有研究[28-29]表明MSC-Exos運輸?shù)膍iR-23a-3p、miR-182-5p和miR-466f-3p具有逆轉與PF密切相關的EMT過程的能力。一方面,MSC-Exos可以通過干預TGF-β1/Smad信號通路抑制EMT進展來緩解肺纖維化,另一方面,甚至能通過誘導某些miRNA表達來緩解甚至逆轉肺纖維化進程。

3 調控免疫反應

機體為了應對損傷,免疫細胞特別是中性粒細胞和CD4+T細胞會釋放細胞因子、生長因子,調節(jié)成纖維細胞和巨噬細胞的行為[30]。其中巨噬細胞在機體組織修復和免疫功能發(fā)揮著重要作用,在不同的環(huán)境和細胞因子的刺激下可分化成M1和M2兩種表型。在慢性刺激下,促炎的M1巨噬細胞緩慢轉化為更具抗炎、促纖維化特性的M2表型,分泌介質促進傷口愈合。M2型巨噬細胞還能通過分泌各種生長因子和調控其他機制來參與肺纖維化過程[31]。研究發(fā)現(xiàn)[18],人羊膜上皮細胞源性Exos能增強巨噬細胞的吞噬功能,降低中性粒細胞過氧化物酶水平,同時促進中性粒細胞凋亡,抑制CD3/CD28活化的T細胞增殖,進而調控免疫反應。而另一項研究表明[32],ADSC-Exos可抑制T細胞的功能,包括減少干擾素γ的分泌以抑制T細胞的激活,以及阻礙抗CD3/CD2/CD28抗體介導的T細胞向效應-記憶細胞表型的分化。Mansouri等[15]研究發(fā)現(xiàn),將BMSC-Exos注射到肺纖維化小鼠模型中,能減少經典促炎單核細胞的數(shù)量,提高非經典單核細胞和巨噬細胞的含量,從而降低膠原水平,改善Ashcroft評分和肺功能。因此,MSC-Exos可以通過增強巨噬細胞的吞噬功能從而降低膠原水平,還可以通過抑制T細胞增殖來調控免疫反應,均有利于改善肺纖維化。

三、小結與展望

IPF的病理變化包括有肺上皮損傷、炎癥細胞募集、成纖維細胞增殖和細胞外基質擴增,最終導致組織纖維化。目前對IPF的治療方法有限,而大量研究表明,MSC-Exos在IPF中有著巨大的治療潛力,從而為IPF治療提供了一種新的選擇。但還存在許多問題需要完善:首先,基于Exos的蛋白質組學和基因組學復雜性,它們的可能機制和確切的組成需要進一步研究;其次,在MSCs-Exos治療可用于臨床之前,其分離鑒定、效力測定、標準化生產的參數(shù)需要有相對統(tǒng)一的標準;最后,目前Exos的應用多局限于體外實驗,缺乏足夠的臨床數(shù)據(jù)支持,其在人體中詳細的作用機制還需繼續(xù)深入探索。