急性肺损伤(acute lung injury,ALI)/急性呼吸窘迫综合症(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是指严重感染、创伤、休克等打击后，出现以肺泡毛细血管损伤导致肺水肿和肺不张为病理特征的综合征。我国每年约发生20万起火灾，死亡2000人，烧伤、热烟雾损伤、感染是死亡的三大主要原因。Sterner等［1］调查研究显示，烧伤治疗中心10%～30%的伤员都合并有吸入性损伤；因烧伤死亡者，其中75%合并有吸入性损伤。中重度热烟雾致吸入性肺损伤作为一种特殊类型的ALI/ARDS，目前治疗仍然主要是肺保护性通气及液体支持疗法，其病死率仍在23%以上［2］。随着干细胞生物学研究的深入，对其在ALI修复中的作用的认识也在不断加深。骨髓间充质干细胞( bone marrow mesenchymal stem cells,MSCs）可以增加组织修复，分泌可溶性细胞因子，调节内皮和上皮通透性，减轻炎症反应，是一种极具吸引性的新的治疗方案［3］。
1修复ALI的干细胞简介
1.1肺组织内干细胞
普遍认为Ⅱ型肺泡上皮细胞（ATⅡ）是肺泡上皮的干细胞，可分化为肺泡Ⅰ型（ATⅠ）和ATⅡ；在气道上皮中还存在着另一类干细胞，即短暂扩充细胞：在近端气道的基底细胞、Clara细胞也具有祖细胞的功能。说明肺组织有一定程度的再生能力，但肺组织的干细胞属单能干细胞，且数量有限，体外分离培养困难，不能满足临床需求；胚胎干细胞受到伦理道德等限制。因此，骨髓来源的干细胞作为肺修复的理想靶点越来越引人关注，且研究较为深入［4］。
1.2骨髓源性干细胞
在骨髓中至少存在3种干细胞群，即造血干细胞(haematopoietic stem cells,HSC）、MSCs以及内皮祖细胞(endothelial progenitor cells,EPC)。有证据证实，应用CD34+、SCA-1+单一的HSC移植后，可表达呼吸上皮细胞标志以及ATⅡ表型［5］。移植的HSC可归巢到损伤肺组织，并分化为肺泡上皮细胞。Asahara等［6］首次从人的外周血中分离出CD34+、Flk-1+的EPC，并证明该细胞在体外能分化成内皮细胞。MSCs是一种成体干细胞，具有高度的扩增能力，体外多次传代后基因稳定性良好；多分化潜能，具有潜在的修复各种组织器官的能力；能通过多种途径输入体内，不易引起免疫排斥反应；取材方便，容易分离培养，同时不涉及道德伦理方面的问题等优点［7］，有可能成为ALI治疗的种子细胞。
多项研究表明MSCs对临床疾病具有治疗作用，包括心肌梗死、糖尿病、败血症、肝脏衰竭、急性肾衰。在临床前期研究中，MSCs在减弱内毒素、活病毒、博莱霉素及高氧等所导致的肺损伤有治疗效果［8］。1968年Friedenstein及同伴首次发现MSCs具有黏附性，无性繁殖，表现为成纤维细胞外形。1987年Friedenstein等［9］首先证实了MSCs的多向分化潜能，在适宜的条件下MSCs能分化为骨细胞、软骨细胞、脂肪细胞、肌肉细胞等，而且经过20～30次分裂后这种分化特性也不会消失。1999年Pittenger等［10］也充分证实了MSCs的多向分化潜能。2006年，国际细胞治疗协会从以下3条标准定义MSCs：（1）MSCs在标准组织培养基上有塑料黏附性；（2）MSCs一定表达某种细胞表面标记物如CD105，CD90，CD73，但是肯定不表达包括CD45，CD34，CD14或CD11b的标记物；（3）MSCs在体外环境能分化为成骨细胞、脂肪细胞及胚细胞系。
2MSCs治疗ALI的实验研究
朱峰［11］研究了经静脉移植至烟雾吸入性损伤兔体内的MSCs均能“归巢”至损伤和炎症反应明显的肺组织和支气管组织区域，并分化为肺泡Ⅰ、Ⅱ型上皮细胞、肺泡Ⅱ型上皮细胞以及肺血管内皮细胞，减轻肺组织损伤，可能参与并加快了烟雾吸入性损伤的组织修复过程，同时能显著降低其全身和局部主要促炎因子水平，升高其全身和局部抗炎因子水平，减少其血管外肺水，改善肺和气管组织损伤程度，对烟雾吸入性损伤具有抗炎保护作用。
赵峰等［12］的研究显示，将4,6-二乙酰基-2-苯基吲哚（DAPI）标记的MSCs异体移植到博莱霉素诱导的肺损伤大鼠体内，发现MSCs可在损伤大鼠肺组织中分化为肺泡上皮细胞及支气管上皮细胞。
Popov等［13］体外模型，用共同培养技术培养MSCs和A-549，研究MSCs的内皮分化潜能。检测到肺泡上皮细胞的标记物细胞角蛋白5、8、14、18、19的mRNA的水平增高，角蛋白表达的活化伴有其他肺上皮细胞标记的诱导，如ZO-1以及表面活性蛋白C前体。说明MSCs在体外也可分化为成熟肺细胞，由此总结A-549细胞能激活MSCs向肺泡上皮分化，可能通过活化β连环蛋白信号肽的旁分泌机制。
Ortiz等［14］发现在博莱霉素致雌性鼠急性肺损伤和纤维化中，静脉注射雄性鼠MSCs改善生存率，减弱肺炎症反应和胶原沉积。在对照组鼠，雄性DNA占肺总DNA的2.21×10-5%，但是在MSCs移植前暴露博莱霉素组动物DNA量增加了23倍。原位荧光杂交显示移植的雄性细胞定位于博莱霉素所致的损伤部位，并表现为上皮样形态。
Xu等［15］发现在经腹膜注LPS后经静脉注射MSCs，可以保护内毒素诱导的肺炎症反应，肺水肿及中性粒细胞向损伤肺泡的汇集。Xu等［16］发现转染了血管生成素-1（angiopoietin-1，Ang-1）基因的MSCs移植受损伤的肺组织，可以减轻血管内皮的通透性，抑制炎性细胞的聚集，与MSCs的治疗产生协同作用，提示MSCs本身或作为载体携带治疗基因可用于ALI的治疗。
3MSCs减轻ALI的机制
3.1多向分化潜能和“归巢”机制
学者公认MSCs具有多向分化潜能，大量研究显示MSCs能“归巢”至肺损伤和炎症区域，分化成为肺主要功能细胞(肺泡上皮细胞或肺血管内皮细胞等)［17］，这是其发挥其功能的前提。肺损伤后，坏死肺组织细胞可能通过释放出一系列信号因子，引导表达特异性受体的干细胞移动并黏附于损伤处，这被认为是干细胞“归巢”的最主要机制。基质细胞衍生因子-1(stromal cell derived factors, SDF-1)及其受体CXCR4、受体c-kit、集落刺激因子、血管内皮生长因子和整合素等，大量细胞因子、蛋白水解酶及黏附分子等可能也参与了此过程［11］。Xu等［18］认为SDF-1通过其受体CXCR4参与了骨髓来源干细胞的迁移活动。Rojas等［18］发现MSCs对博莱霉素所致的肺损伤具有保护作用，同时伴有循环中G-CSF和GM-CSF(两者被认为可以促进内源性干细胞的动员和迁移)的升高及炎性因子的降低，这种保护作用可能与MSCs分化为ATⅠ和ATⅡ有关。
3.2抗炎-免疫调节
MSCs的主要特性之一是抗炎-免疫调节性质。由MSCs释放或诱导的调节剂包括TGF-β、PGE2、IDO、IL-10和 IL-1ra。MSCs在内毒素致肺损伤的治疗作用，在用抗IL-10抗体和IL-10受体抗体处理后会减弱，表明了IL-10的重要作用［19］。IL-10主要是由单核细胞分泌的细胞因子，抑制中性粒细胞的黏附和跨膜转移，下调Th1细胞因子，MHC Ⅱ类抗原和巨噬细胞协同刺激分子的表达。在内毒素致ALI中［20］，MSCs使支气管肺泡灌洗液（BALF）中金属蛋白酶-2（MIP-2）和TNF-α减少，同时有血清和BALF中IL-10增加。TNF-α作为一种前炎症因子可引起的细胞间黏附因子1（ICAM-1）表达上调［21］，后者可活化多形核细胞，使其脱颗粒、氧自由基以及其他一些下游炎症因子。MSCs通过负性调节TNF-α，而起到终止损伤反应的作用［22］。Ortiz等［14］发现MSCs降低博莱霉素致肺损伤肺胶原沉积、肺纤维化，部分是通过分泌IL-1ra（IL-1ra是一种与IL-1β竞争结合IL-1受体的细胞因子，IL-1β是ALI患者肺水肿液体中一种主要炎症因子）。
3.3肺泡液体清除率
在ALI患者中，肺泡液体清除率（alveolar fluid clearance，AFC）受损很常见。AFC受损水平在发病率和病死率上有重要的预测价值［23］。在ALI导致肺水肿时，肺泡中的液体成分主要通过肺泡上皮细胞钠离子通道（epithelial sodium channel,ENaC,α-, β-, γ-亚型)、Na+-K+ -ATP酶（NKA）和肺血管内皮细胞的水通道蛋白（AQP）重吸收。肺水肿液中含有高水平的促炎症细胞因子，如IL-1β、IL-8、TNF-α和TGF-β1［8］。TNF-α降低了ENaC mRNA和蛋白水平的表达。相似的，IL-1β降低了地塞米松诱导的αENaC mRNA和蛋白水平；TGF-β1通过降低人和鼠单层Ⅱ型细胞的阿米洛利敏感钠摄取分数及液体运输，降低αENaC mRNA和蛋白表达。
MSCs可以产生几种特殊上皮生长因子，特别是角蛋白生长因子（keratinocyte growth factor，KGF）。在鼠肺损伤模型中，KGF改善肺泡液体运输，部分是通过上调αENaC的基因表达、增加Na+-K+-ATP酶活性，也可以增加向基底膜运输Na+-K+-ATP酶亚基［24］。在大肠杆菌内毒素致人离体灌注肺ALI后1 h［25］，人MSCs可以恢复AFC，部分通过KGF的分泌，促进ATⅡ增生和分化、表面活性剂的产生，抗凋亡作用，增加钠和氯通道蛋白的转录和翻译。
3.4肺上皮通透性
MSCs可能有效的另一个机制是对受损的内皮细胞的治疗作用。肺微血管内皮的完整性对阻止血浆及炎症细胞中富含蛋白的液体流入肺泡是非常重要的。在这些效应中几种旁分泌的可溶因子如Ang-1和KGF具有重要作用。Ang-1是内皮酪氨酸蛋白激酶2受体的配体，被认为具有增强内皮生存和血管稳定因子作用，减少内皮通透性，并通过改变内皮黏附分子和细胞接触抑制白细胞和内皮细胞的相互作用［8］。在Mei等［26］研究中，转染了Ang-1的MSCs，进一步减低了肺炎症反应，几乎完全逆转了LPS所致的肺血管通透性增加。
上皮屏障特性是由细胞间连接复合体维持的，包括紧密连接、黏着连接和桥粒。紧密连接形成了物理屏障，限制蛋白和脂质的扩散。Fang等［27］发现在培养的单层ATⅡ细胞，在细胞毒素致损伤后，MSCs和Ang-1对上皮蛋白通透性的作用，部分是基于细胞骨架再造，直接影响包括肌动蛋白和紧密连接18的细胞支架的重建，部分是通过抑制κ-基因结合核因子（NF-κB）的活性。
3.5抗氧化作用
Smita等［28］发现MSCs治疗内毒素诱导鼠氧化模型中，伴有全身半胱氨酸（Cys）和谷胱甘肽（GSH）水平的升高，导致内毒素血症中Cys和GSH的氧化还原状态的保护；MSCs移植改善GSH动态平衡的可能机制包括增加了组织中Cys和GSH向外流出，增加了循环和/或GSH的合成，这可能被KGF介导。Kim等［29］研究表明脂肪组织源性的MSCs件培养基（ADCM）的抗氧化能力可与100 μmol/L抗坏血酸相比。这表明MSCs激活分泌抗氧化因子，在肺疾病如ALI的炎症过程中产生保护作用。
4展望
MSCs的研究取了较大的进展，但仍面临一些问题，需要更精确的理解MSCs在ALI模型中潜在的治疗作用。大部分研究者用MSCs免疫调节和分泌生长因子的特性来解释它的保护性作用，但确切机制尚不清楚。MSCs分泌或诱导一些可溶因子如IL-10、PGE2、TGF-β、KGF，但是不确定具体是哪一种因子是最重要的要素。另一个主要问题是尚不清楚这种作用是通过细胞接触依赖或不依赖机制产生的，或两者都有，细胞的这种功能作用是否依赖肺泡环境改变。
在临床实验中，需要决定细胞递送的合适的计量和途径。实验中应用的剂量范围是每个动物（主要是鼠）5×105 到5×106 个细胞。在实验中，剂量反应并未报道，所以鼠的合适的剂量尚不知。另外，经静脉和经气管途径注入都被证明有效。但是，没有两种途径的对比和联合应用。每种途径都有优点，经气管途径可以在纤维支气管镜下进行，可以明确瞄准肺内受损的区域。另外，经静脉途径可以提供更大的全身的系统的作用，减轻ALI经常伴有的多器官功能障碍。这是推进临床试验必须解决的实际性问题。
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（收稿日期：2011-12-7）
（本文编辑：邵菊芳）