综述：急性肺损伤的不同干细胞治疗研究进展

Advances in Stem Cell Therapy for Acute Lung Injury: A Review

摘要: 急性肺损伤(ALI)是一种具有高发病率和高死亡率的严重疾病，目前缺乏有效的治疗手段。近年来，干细胞治疗因其多能性和再生能力受到广泛关注。本综述总结了不同类型干细胞(如间充质干细胞、上皮祖细胞、内皮祖细胞等)在急性肺损伤中的治疗潜力，重点阐述了其作用机制、实验研究进展以及临床应用的挑战和未来方向。

Abstract: Acute lung injury (ALI) is a severe clinical condition with high morbidity and mortality rates, for which effective treatment options remain elusive. In recent years, stem cell therapy has emerged as a promising approach due to the pluripotency and regenerative capabilities of stem cells. This review explores the therapeutic potential of various stem cell types, including mesenchymal stem cells (MSCs), epithelial progenitor cells, and endothelial progenitor cells, in the context of ALI. It highlights their mechanisms of action, recent advances in experimental studies, and the challenges associated with clinical translation, while providing insights into future research directions.

1. 引言

以肺毛细血管弥漫性损伤、通透性增加为主要特征的肺内、外严重疾病引起的急性肺损伤(ALI)/急性呼吸窘迫综合征(ARDS)，是肺内外的严重疾病所致的症候群。这种损伤可引起病理改变，如肺水肿，形成透明膜，肺不张等。1994年，美国–欧洲共识会议(AECC)将急性肺损伤定义为以呼吸衰竭的快速发作为特征，比值 ≤ 300 mmHg (不考虑呼气末正压水平)，胸片显示双侧浸润，肺毛细血管楔压 ≤ 18 mmHg (无左房高压)，胸片显示双侧浸润；定义相同的急性呼吸窘迫症候群，但PaCO₂/FiO₂的下限值更低，<200 mmHg [1]-[4]。虽然ALI/ARDS是“综合征”，由于不同的损伤和条件引起的ALI和ARDS具有相似的肺损伤病理生物学、临床表现和药物干预的特异性靶点，因此ALI和ARDS被作为一个整体来研究。在柏林后来的定义里，ALI/ARDS病例称为轻度慢阻肺(PaO₂/FiO₂比值201~300 mmHg)、中度慢阻肺(PaO₂/FiO₂比值101~200 mmHg)、重度慢阻肺(PaO₂/FiO₂比值 ≤ 100 mmHg) [5]。在临床上，ALI/ARDS的表现为逐渐加重的呼吸困难和难以控制的低氧血症，最终可能导致急性呼吸衰竭。目前，对于这一综合症还缺乏有效的治疗方法。

在整个生命周期中，干细胞在维持生理功能和修复损伤器官方面发挥着关键作用，已成为治疗人类多种疾病的极具潜力的一条途径，包括心血管[6]、代谢[7]、神经系统[8] [9]、血液系统[10]和自身免疫相关疾病[11]。这种功能在肺部修复中也得到了广泛研究。器官修复不仅依赖于常驻干细胞，还包括从骨髓和其他组织中吸引到损伤部位的干细胞，这些干细胞能够促进器官修复并激活肺内的内源性祖细胞[12]。因此，研究人员在过去十年中广泛关注间质干细胞(MSC)修复治疗潜能。从几乎所有出生后的组织中都可以得到MSC，它的功能是多能性的，而且是可以重复的。与胚胎干细胞和诱导多能干细胞相比，它们更易获取，安全性更高，不涉及伦理问题，因此成为干细胞治疗的优选候选者。尤其吸引人的是MSC的免疫豁免特性。由于它们对促炎性IFN-γ诱导的HLA-II表达不太敏感，MSC不会引发宿主反应或细胞排斥[13]。到目前为止，MSC疗法的研究涵盖了来自骨髓、外周血、脐带、华顿氏胶、胎盘和脂肪组织的细胞，以及来自新生儿和成人的细胞。间充质干细胞(MSC)由于其高潜能分化、自我更新和免疫调节而被认为是用于组织再生的理想细胞类型[14]。

2. 干细胞类型及其特性

干细胞及其衍生产品通过免疫调节、组织修复以及递送生物活性分子，在不同类型的干细胞中表现出多元化的治疗潜力，在外泌体作为细胞外囊泡疗法(Extracellular Steric Norton Therapy)的同时，在急性肺损伤(ALI)治疗中具有重要的研究价值，提供了一条新的应用方向。

2.1. 间充质干细胞(MSCs)

1974年，Friedenstein等首次分离并表征了间充质干细胞(MSCs)，这些细胞具有体外黏附和克隆形成的能力。Prockop指出MSCs可用作骨、软骨和脂肪组织等非造血组织的修复和再生利用有前景的细胞来源，其分泌的旁分泌因子可促进损伤组织的修复再生，如骨、软骨以及脂肪组织[15]。1991年间充质干细胞具有自我更新能力，并可分化为骨和软骨的后代，因此被命名为“间充质干细胞”(Interfusion Cell)。

间充质干细胞用于治疗除了它们有限的分化潜能(“细胞替代”)，更重要的是，依赖于它们在免疫调节中的作用，所述免疫调节导致有利的免疫微环境并释放生长因子以激活内源性组织修复。但是MSC的免疫调节是由炎症启动的，不是内在的。MSC的免疫调节特性与炎性细胞因子的种类、数量等有一定的关联性。T细胞的增殖和活化通过分泌和表层表达的分子直接受到骨髓间充质干细胞的抑制。间质干细胞一方面可通过一氧化氮合酶(INOS)和消炎胺2、3-双加氧酶(IDO)代谢色氨酸，从而起到抑制T细胞增殖和活化的作用[16]；另一方面，其表达的FASL和PD-L1分子能够激活凋亡信号通路[17]，该信号通路直接影响T细胞的生存。此外，间充质干细胞还能通过分泌趋化因子CXCL9、CXCL10和CXCL11，吸引T细胞至其附近，从而增强免疫抑制分子的局部作用[18]。在调节性T细胞(Treg)和效应T细胞方面，间充质干细胞通过促进Tr1和Foxp3⁺ Treg的分化，同时抑制Th1和Th17细胞的生成，重塑免疫微环境[19]。进一步研究表明，MSCs分泌的IDO和PGE2不仅通过抑制T细胞的增殖与活化发挥作用，还通过诱导调节性T细胞(Tregs)的生成进一步调节适应性免疫反应。在啮齿类动物中，MSCs通过表达INOS并生成氧化氮(NO)，在炎症环境中显现出显著的免疫抑制功能[20]。

尽管间充质干细胞对B细胞增殖和抗体生成的直接影响尚不完全明确，但研究显示其可能通过分泌抑制性分子间接调节B细胞功能。这些机制进一步支持了免疫调节和治疗相关疾病的间质干细胞的应用潜力。

间质干细胞(MSCs)在调节巨噬细胞极化过程中发挥了显著的作用，已成为其免疫调节功能的重要机制之一。研究显示，MSCs直接影响巨噬细胞的功能和表型转化，通过分泌多种关键分子。MSCs分泌肿瘤坏死因子刺激基因-6 (TSG-6)，通过与巨噬细胞表面的CD44受体相互作用，抑制NF-κB信号途径，减少TNF-α、IL-6等促炎因子的释放，从而促使M1型巨噬细胞向抗炎M2型巨噬细胞的极化[21]，通过与巨噬细胞表面的CD44受体相互作用，抑制NF-κB信号途径，从而降低促炎因子。此外，前列腺素E2 (PGE2)作为MSCs的重要分泌因子，调控巨噬细胞的代谢状态，增强其抗炎反应，进一步减少炎症介质的生成。同时，MSCs通过吲哚胺2,3-双加氧酶(IDO)催化色氨酸代谢产生的犬尿酸等代谢产物，诱导巨噬细胞向M2型表型转化，这一过程对调节炎症微环境具有重要意义。此外，在巨噬细胞极化过程中，MSC来源的泌尿系统也起到了关键作用，尤其是促使其在抗炎表型泌尿系统中转化为miR-146a，通过调控巨噬细胞相关基因的表达[22]。

MSCs还进一步支持M2型巨噬细胞的产生，使巨噬细胞恢复代谢稳态，并通过线粒体转移的方式增强巨噬细胞的氧化磷酸化能力。MSCs在炎症性疾病的临床应用上提供了很大的帮助，通过调节巨噬细胞极化来改善炎症微环境的潜力。

此外，MSCs与NK细胞相互作用时，能够通过分泌PGE2等因子抑制NK细胞的细胞毒性，同时MSCs分泌的外泌体中的miRNA被证明可以调节NK细胞功能，帮助维持免疫稳态。MSCs还通过降低DC的成熟度(如降低MHCII和CD86的表达)，减少其抗原呈递能力，从而间接抑制T细胞的活化。研究显示，MSCs分泌的HLA-G分子可直接抑制DC的功能，并诱导免疫耐受[20]。

间充质干细胞(MSCs)以其低免疫原性和广泛的多功能性，在再生医学领域和免疫调节领域成为一种重要的工具。MSCs表达的MHCI类分子水平较低，缺乏MHCII类分子和共激分子，使其在异体移植中具有降低排异风险的免疫逃逸能力。然而，MSCs在传代扩增过程中可能出现增殖能力下降、分化能力减弱和细胞衰老等问题，影响其临床应用的效果。此外，其免疫调节特性受到炎症微环境、细胞来源及培养条件的显著影响，可能表现出一定的异质性。生物安全性问题如基因组不稳定性和潜在的肿瘤发生风险，也为其大规模临床应用带来了挑战。

2.2. 诱导多功能干细胞(iPSCs)

诱导多能干细胞(iPSCs)是一类人工多能干细胞[23]，由山中伸弥团队于2006年首次通过成体细胞重编程技术建立。通过引入特定的转录因子(如Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc)，iPSCs能够重新获得类似胚胎干细胞的多能性和自我更新能力。它最大的优点是克服了胚胎干细胞的伦理问题，同时通过患者自身的体细胞来源产生，从而避免了免疫排斥反应。iPSCs可分化为多种肺部特异性细胞，如肺泡上皮细胞和气道上皮细胞，为研究肺部疾病的病理机制和再生治疗提供了重要工具。

在急性肺损伤(ALI)中，iPSCs通过分化为功能性肺细胞，用于构建疾病模型和探索潜在的治疗方法。此外，iPSCs结合基因编辑技术(如CRISPR-Cas9)修正致病基因后，可进一步分化为健康的肺组织细胞，为遗传性肺病提供了新型治疗策略。尽管iPSCs在再生医学领域展现出广泛的应用前景，但其在分化效率、基因组稳定性及临床转化安全性方面仍面临挑战。例如，在重编程过程中可能会触发基因组突变，并增加肿瘤潜在风险，不过目前为降低重编程引发的基因组突变及肿瘤风险，非整合方法(如环状DNA、mRNA或蛋白质介导)被广泛应用，避免了外源基因整合。此外，缩短重编程因子表达周期也显著提高了基因组稳定性。这些优化策略有效减少了染色体非整倍性及拷贝数变异(CNV)的发生，提升了iPSCs的分化效率与安全性[24]。此外，其向功能性肺细胞分化的效率仍需进一步提高。iPSCs有望在急性肺损伤的细胞治疗中发挥更大的作用，这得益于技术优化和安全研究的深入。

2.3. 胚胎干细胞(Embryonic Stem Cells, ESCs)

胚胎干细胞(ESCs)是由Evans和Kaufman于1981年从幼鼠胚胎内细胞团中分离出来的最早被发现和应用的多能干细胞之一[25]，并于1998年从人类胚胎中成功分离出来[26]，如Thomson等。ESCs具有无限的自我更新能力和多向分化潜力，可分化为所有三胚层来源的细胞类型，包括肺泡上的皮细胞和气道上的皮细胞，为再生医学和发育生物学研究提供了重要工具。ESCs表现出广泛的应用前景，可用于研究和治疗多种疾病。其多向分化能力使其在神经系统疾病(如帕金森病)、心血管疾病(如心肌修复)和肺部疾病(如急性肺损伤)中具有重要作用。通过分化为肺泡上皮细胞，ESCs可用于急性肺损伤(ALI)的疾病模型构建和机制研究，为细胞替代治疗提供了潜在的可能性。此外，ESCs还在构建疾病模型、筛选药物等方面扮演着重要角色。

尽管ESCs在基础研究和再生医学方面有广泛应用的潜力，但在临床转化方面，ESCs面临的挑战仍然很多。首先，它的来源涉及胚胎的使用，存在伦理争议。二是ESCs在分化过程中可能会产生未分化细胞，从而增加肿瘤发生的机会。同时，异体移植可能会在细胞替代疗法中引起免疫排斥反应，从而限制了异体移植的广泛应用。此外，对其基因组的稳定性和长期安全性仍需进行更多研究和优化。尽管如此，ESCs作为研究发育机制和构建疾病模型的核心工具，其在基础科学研究中的重要性依然不可替代。

2.4. 其他干细胞类型

2.4.1. 上皮祖细胞(Epithelial Progenitor Cells, EPCs)

在上皮祖细胞研究的早期阶段，肺泡II型细胞(AEC2)在修复肺损伤过程中的关键作用通过标记和追踪实验得到揭示。利用Cre-loxP谱系追踪技术，研究发现AEC2在稳态条件下具有自我更新能力，能够维持肺泡的结构完整性。在肺损伤后，AEC2作为肺泡干/祖细胞的关键类型被激活，增殖并分化为肺泡I型细胞(AEC1)，从而恢复肺泡的气体交换功能[27] [28]。这些发现明确了AEC2作为肺修复关键细胞的地位，并为进一步探索上皮祖细胞的作用机制奠定了基础。

近年来，诱导多能干细胞技术被广泛应用于生成类似肺上皮祖细胞的类型，推动了肺部疾病建模和再生医学研究的发展。Chen YW [29]等人通过分化为功能性肺细胞，为探索肺损伤机制和开发新的治疗手段提供了重要工具，并从iPSCs中验证了其应用潜力，用于模拟肺部疾病的三维肺模型生成具有肺部特征的细胞。此外，Dyebr [30]等人将iPSCs来源的肺小芽干细胞构建在体外肺组织模型和体内研究中，进一步证实了其应用于再生医学的价值。

上皮祖细胞因其在肺损伤修复和再生中的重要作用，被认为具有广泛的临床治疗潜力。然而，其长期体外培养和体内移植的效果仍需进一步研究。Nichane M [31]等人探讨了多能肺干细胞在三维环境中的扩增能力及其潜在应用，强调了这一技术在肺组织再生中的优势；研究表明，通过移植上皮干细胞可以实现多谱系的肺再生，为未来的临床转化提供了理论依据[32]。

上皮祖细胞的广泛应用前景，为研究和治疗肺部疾病提供了强大的后盾。但要实现其临床转化，仍需解决长期稳定性、安全性等问题。未来的研究方向应集中在提高分化效率、优化移植技术以及确保长期功能性稳定等方面。

2.4.2. 内皮祖细胞(Endothelial Progenitor Cells, EPCs)

内皮祖细胞(EPCs)在血管生成和内皮修复中的起关键作用，近年来被广泛研究并应用于急性肺损伤(ALI)及其他血管相关疾病中。EPCs主要来源于骨髓，并在外周血中检测到，其标志物包括CD34、VEGFR-2 (血管内皮生长因子受体-2)和CD133。研究发现，EPCs在急性肺损伤(ALI)模型中能够定向迁移到受损区域，并通过分化为功能性内皮细胞来修复损伤的血管内皮，从而降低肺泡毛细血管的通透性。从而降低炎性渗出[33]。此外，EPCs分泌的血管内皮生长因子(VEGF)不仅促进新血管的形成，还改善了肺部微循环，为肺功能的恢复提供了有力支持。在心血管疾病中，EPCs通过促进缺血区域的血管生成，恢复血流灌注，展现了显著的治疗潜力。例如，移植EPCs可以有效改善冠状动脉和周围血管功能这一缺血性心脏病治疗的新选择。然而，EPCs的临床应用仍面临诸多挑战，包括细胞来源的异质性、体外扩增过程中功能的衰减，以及移植后的免疫排斥和长期安全性问题。尽管如此，优化EPCs的培养条件、提高其体外扩增效率，以及探索其与其他治疗手段(如干细胞疗法或基因编辑技术)的联合应用，仍是未来研究的重要方向。EPCs以其独特的血管修复能力，为ALI及其他相关疾病的治疗开辟了新的研究和应用领域。

3. 急性肺损伤干细胞治疗挑战与未来方向

3.1. 临床转化的关键障碍

急性肺损伤(ALI)的临床转化干细胞治疗面临多重挑战。首先是安全性问题，包括某些干细胞类型(如诱导多能干细胞，iPSCs)存在潜在的致瘤性风险，特别是在分化不完全或基因组不稳定的情况下。此外，异基因移植可能引发免疫排斥反应，需要配合免疫抑制剂以降低不良反应，这对患者的长期健康带来了隐患。其次，分化效率和功能稳定性的优化仍是关键难题。体外扩增过程中，干细胞功能可能因环境变化而衰减，分化效率低下也限制了其在临床应用中的广泛推广。

3.2. 当前研究的局限性

3.2.1. 动物模型的适用性

尽管当前研究ALI的常用动物模型(如小鼠模型)可以在一定程度上模拟人肺损伤的病理生理特征，但其与人肺在生理功能、免疫系统和再生能力等方面的差异，可能导致研究结果在临床转化中存在局限性，因此当前研究ALI的主要特征是：因此，更接近人类病理特征的模型(如类器官模型或大动物模型)是未来研究的重点[34]。

3.2.2. 干细胞来源与培养标准化

不同来源的干细胞(如骨髓、脂肪和脐源间充质干细胞)在分化潜能和免疫调节能力方面，异质性显著。此外，目前缺乏公认的细胞培养和扩增标准，可能导致批次间治疗效果的差异，从而影响临床治疗的一致性和可靠性。

3.3. 未来研究的重点

3.3.1. 基因修饰和工程化干细胞的应用

干细胞通过基因编辑技术实现功能增强是目前研究的热点。例如，CRISPR-Cas9技术被用于研究MSCs的其他功能，如成骨分化能力[35]。上海交通大学医学院的研究人员利用CRISPR/CAS9系统，以探索PIEZO1对MSCs成骨分化能力的影响为目的，对小鼠间充质干细胞C3H10T1/2进行了靶向敲除PIEZO1基因的研究。该研究设计了两条靶向Piezo1基因的单链指导RNA (sgRNA)，并通过慢病毒载体将Cas9和sgRNA导入MSCs。结果显示，成功敲除Piezo1基因后，MSCs的成骨分化能力受到抑制，说明基因编辑技术能够精确调控MSCs的特定功能。这种技术还可用于增强干细胞在特定环境中的存活率及靶向性。基因编辑技术在急性肺损伤(ALI)治疗中也针对特异性病理过程的靶向调控提出了策略。研究显示[36]，通过开发吸入式CRISPR/Cas9基因编辑系统，可以有效靶向代谢调控基因(如Hexokinase2，HK2)，实现对肺部巨噬细胞免疫代谢功能的重编程。此系统显著降低了促炎性细胞因子的水平，促进抗炎巨噬细胞的极化，从而有效改善ALI模型中的肺水肿和组织损伤。这一研究不仅验证了基因编辑技术在调控肺部炎症微环境中的潜力，还为干细胞治疗提供了全新的研究方向。

3.3.2. 联合疗法的探索

干细胞与传统治疗手段(如抗炎药物、机械通气)相结合可能产生协同效应。例如，将干细胞与抗炎药物联合应用可以同时减少炎症反应并促进组织修复，从而显著改善患者的预后。

3.3.3. 无细胞疗法的潜力

近年来，干细胞衍生的外泌体(Exosomes)和旁分泌因子作为一种无细胞疗法的研究，受到了广泛的关注。这些外泌体携带的miRNA、蛋白和其他生物活性物质，能够调节免疫反应、促进组织再生，同时避免细胞移植可能引发的免疫排斥或致瘤风险。外泌体作为低免疫原性且易于标准化的治疗策略，为ALI治疗提供了新的方向。

尽管干细胞治疗在ALI的研究中展现出巨大潜力，但其临床应用仍受到安全性、分化效率、功能稳定性及动物模型适用性的限制。未来应通过基因修饰、优化培养条件及发展无细胞疗法来解决当前存在的障碍。同时，探索干细胞与药物或其他治疗手段的联合应用，有望进一步推动干细胞在ALI治疗中的临床转化。

基金项目

陕西省西安市英才计划菁英项目(编号：XAYC210062)；陕西省西安市科技计划计划项目(编号：2024YXYJ0004)；陕西省西安市科技计划项目(编号：2021ZD04)；陕西省西安市科技计划项目(编号：23YXYJ0061)。

NOTES

^*通讯作者。