急性肺损伤(acute lung injury, ALI)/急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)是由直接或间接肺部损伤引发的过度及失控的全身性炎症反应，是一类严重的重症疾病。在重症监护病房(intensive care unit, ICU)中，ARDS患者占比约为10%,在需气管插管患者中占比达到23%[1,2]。尽管机械通气、俯卧位通气及体外膜氧合(ECMO)等ARDS支持性治疗技术已取得进展，但ARDS患者的病死率仍高达30%～40%[3]。因此，针对ALI/ARDS开发新的治疗策略与方法显得尤为重要。间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)及其MSC来源的外泌体(mesenchymal stem cell-derived exosome, MSC-EXO)在治疗不同病因引起的ALI/ARDS的基础研究、临床前研究及临床试验中已显示出一定安全性与疗效[4]。本研究将对MSC及MSC-EXO在治疗ALI/ARDS中的相关机制进行综述。

1、MSC及MSC-EXO在治疗ALI/ARDS中的潜能

MSC具备自我更新和多向分化的能力，且易于从多种组织中分离、培养、扩增和纯化，使其成为治疗肺损伤等多种组织器官损伤的理想细胞来源[4,5]。MSC来源众多，包括骨髓、胎盘、脐带、脐带血及脂肪组织等[6]。MSC的治疗作用主要依赖其自我更新能力、多能分化性、低免疫原性、抗炎功能以及对受损组织的归巢能力[7]。MSC在治疗ALI/ARDS的机制涵盖了通过细胞间接触和细胞因子旁分泌调控炎症和免疫反应、维持屏障完整性、清除过量肺泡液和减轻肺纤维化等[8,9,10,11,12,13,14]。研究[15,16]表明，不同来源的MSC因表达不同水平的生物因子而展示不同的治疗效益，特别是脐带来源的间充质干细胞(umbilical cord-derived mesenchymal stem cell, UC-MSC)在治疗肺部疾病及ARDS方面显示出较大潜力[17]。此外，越来越多研究证实，MSC在对抗肺部感染、新型冠状病毒感染(COVID-19)、脓毒症、严重创伤或烧伤等引起的ALI/ARDS方面具有良好安全性和疗效。

在MSC治疗ALI/ARDS的过程中，其衍生的外泌体起着关键的调控作用。外泌体，作为胞外囊泡(extracellular vesicle, EV)的一种，其直径通常为30～150 nm[18]。外泌体的前体结构，即多泡体(multivesicular body, MVB),首先形成内泡(intraluminal vesicle, ILV),随后通过与细胞膜融合释放外泌体[19]。在生物体内，外泌体参与细胞间通讯、维持细胞稳态及免疫调控等功能[20]。MSC的组织修复潜能部分依赖于其外泌体内含有的蛋白质、mRNA和微小RNA(miRNA)等，这些分子通过参与信号转导、基因表达及细胞增殖或凋亡过程发挥作用[21,22]。此外，MSC-EXO的低免疫原性、高生物相容性、生物工程学潜能以及无细胞特性，使其在ALI/ARDS等组织损伤修复领域成为研究热点[23]。因此，得益于良好的治疗潜能，不同组织来源的MSC及MSC-EXO正在成为ALI/ARDS新的治疗策略，并逐渐受到广泛关注。

2、MSC及MSC-EXO在治疗ALI/ARDS中的机制

2.1 核转录因子-κB(NF-κB)信号通路

NF-κB信号通路在调控机体炎症反应、免疫应答、细胞凋亡及反应性应激等生理过程中发挥关键作用[24]。虽然NF-κB信号通路的激活对于宿主的完整防御反应是必要的，但其过度的激活可能导致肺部及其他器官的炎症损伤。在ALI/ARDS的发病过程中，炎症反应和免疫失调是导致肺部损伤的主要因素。研究证实，MSC及其MSC-EXO能够明显减少ALI/ARDS患者肺部炎症细胞聚集和炎症因子产生，这一效应与NF-κB信号通路的抑制密切相关。首先，通过抑制NF-κB信号通路，可以影响中性粒细胞的生理活动。有研究[25,26]通过尾静脉注射间充质干细胞条件培养基(mesenchymal stem cell culture medium, MSC-CM),减弱了脂多糖(LPS)诱导的ALI小鼠模型中肺组织中性粒细胞积聚，增加了支气管肺泡灌洗液(BALF)中的中性粒细胞凋亡，减少了抗凋亡分子大分子B淋巴细胞瘤(Bcl-xL)和髓细胞白血病因子-1(Mcl-1)的表达，相关机制涉及Toll样受体4(TLR4)/NF-κB通路的抑制。此外，Pedrazza等[27]研究发现，脂肪组织来源的间充质干细胞(adipose tissue-derived mesenchymal stem cell, AT-MSC)可减少中性粒细胞胞外陷阱(neutrophil extracellular trap, NET)的产生，从而缓解因NET过度释放造成的肺损伤。

NF-κB信号通路的抑制还影响巨噬细胞功能。Wang等[28]研究发现，通过尾静脉注射骨髓来源间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cell, BM-MSC),在LPS诱导的ALI小鼠模型中明显下调巨噬细胞Toll样受体3(TLR3)表达，抑制TLR3下游信号TIR结构域衔接蛋白(TRIF)和蛋白激酶1(RIP1),导致NF-κB及丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路失活，最终减少炎症因子产生。有研究[29]发现，MSC-EXO通过传递miR-27a-3p到LPS诱导的ALI小鼠肺泡巨噬细胞中，降低了M1型巨噬细胞标志物诱导型一氧化氮合酶(iNOS)水平，并增强了M2型巨噬细胞标志物YM-1和CD206表达，表明MSC-EXO能够促进巨噬细胞朝向M2型极化，这一过程与miR-27a-3p抑制NF-κB信号通路有关。

NF-κB信号通路同时参与MSC及MSC-EXO对肺泡上皮细胞的损伤修复过程。Chen等[30]研究发现，将BM-MSC与LPS诱导的肺泡上皮细胞(A549细胞系)共培养后，A549细胞中NF-κB活性下降，同时TLR4表达明显下调。此外，TLR4/髓样分化因子88(MyD88)和TLR4/TRIF复合物的形成减少，从而降低了A549细胞的凋亡和炎症损伤。

2.2 Notch信号通路

Notch信号通路在生物体发育、细胞命运决定和组织形成中发挥重要作用[31]。MSC及MSC-EXO通过调控Notch信号通路影响ALI/ARDS小鼠相关炎症细胞的生理活动和表型。Lu等[32]研究发现，通过尾静脉注射BM-MSC,能够减少LPS诱导的ALI小鼠肺组织树突状细胞(DC)的募集和成熟，促使成熟树突状细胞(mature dendritic cell, mDC)向免疫耐受树突状细胞(regulatory dendritic cell, DCreg)转化。同时，该研究还发现，Notch通路抑制剂(DAPT)可逆转BM-MSC对肺DC表型的影响，并增加抗原提呈分子MHCⅡ和共刺激分子CD86水平。此外，有研究[33]表明，经AT-MSC衍生的外泌体治疗后，LPS诱导的ALI小鼠肺组织中巨噬细胞的Notch信号分子表达明显降低，从而抑制了M1型巨噬细胞极化。

Notch信号通路同时在维持肺泡屏障完整性方面扮演着重要角色。Ye等[34]研究发现，通过Notch信号通路的激活，BM-MSC能够促进光气诱导的ALI小鼠肺干细胞增殖，从而发挥抗炎和肺上皮修复的作用。此外，Zhu等[35]研究发现，Notch信号通路的激活有助于促进BM-MSC移植治疗烟雾吸入诱导的ALI小鼠肺部微血管内皮再生。

肺纤维化是ALI/ARDS患者不良预后的重要因素之一，抑制Notch信号通路对ALI/ARDS小鼠的肺纤维化具有一定疗效。Zhao等[36]研究发现，UC-MSC通过外泌体传递miR-26a-5p到小鼠肺泡上皮细胞(MLE-12 cell),进而抑制整合素—金属蛋白酶17(ADAM17)/Notch信号通路，最终抑制肺纤维化小鼠的上皮间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT)。此外，过表达CXC基序趋化因子受体7(CXCR7)的UC-MSC,在趋化因子基质细胞衍生因子-1(SDF-1)的作用下抑制Wnt/β-catenin通路介导的Notch/Jag1,从而缓解ARDS引起的肺纤维化[37]。

2.3 MAPK信号通路

MAPK信号通路在细胞生长、分化、存活和应激响应等生理过程中发挥重要作用。MAPK通路包括4个主要分支路线：细胞外信号调节激酶(ERK)、p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和ERK5,其中ERK主要调节细胞生长、增殖和存活，而p38 MAPK和JNK主要参与调节细胞的应激反应、细胞死亡和炎症。ALI/ARDS患者肺水肿的发生与屏障完整性的破坏密切相关，而抑制MAPK通路在修复肺泡上皮细胞和内皮细胞的过程中发挥关键作用。Zhou等[38]研究发现，UC-MSC衍生的外泌体能够增强支气管肺发育不良(bronchopulmonary dysplasia, BPD)大鼠肺泡Ⅱ型细胞的增殖。Shologu等[39]研究发现，通过抑制p38 MAPK磷酸化和亚基核转位，BM-MSC或AT-MSC能够改善缺血再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury, IRI)大鼠肺泡上皮细胞再生。Zhang等[40]研究发现，通过抑制MAPK信号通路，BM-MSC能够降低百草枯诱导的ALI小鼠肺泡Ⅱ型细胞的凋亡及炎症因子浸润。

此外，研究表明，MSC及MSC-EXO通过调控MAPK通路，能够减少ALI/ARDS患者肺部炎症因子产生和炎症细胞聚集，从而减轻肺损伤。有研究[41]发现，BM-MSC能够降低LPS诱导小鼠BALF肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)、白细胞介素-1β(IL-1β)浓度，以及中性粒细胞和巨噬细胞数量，这与MAPK通路的抑制密切相关。

2.4 酪氨酸蛋白激酶(JAK)/信号转导与转录激活子(STAT)信号通路

JAK/STAT信号通路在包括炎症反应和细胞凋亡等多种生物学过程中广泛参与。其激活过程始于生长因子、细胞因子或激素结合到细胞膜上的受体，引发相邻JAK激活，并通过磷酸化作用将磷酸基团添加到受体和STAT蛋白。磷酸化的STAT蛋白形成二聚体，进入细胞核并直接调控目标基因转录，从而影响细胞的生长、分化和免疫应答等生理过程[42]。在感染和自身免疫等情况下，JAK/STAT信号通路的异常激活对于持续性炎症至关重要。研究[43]表明，抑制STAT3可以减少LPS诱导的ALI小鼠肺组织和BALF中巨噬细胞促炎基因的表达，包括白细胞介素-1(IL-1)、IL-6、TNF-α、iNOS和CC趋化因子配体2(CCL2)等。此外，MSC及MSC-EXO通过激活JAK/STAT通路改善肺损伤。Cui等[44]通过RNA测序技术(RNA-Seq)发现，UC-MSC通过激活白细胞介素-17(IL-17)、JAK-STAT、NF-κB 和 TNF-α信号通路改善LPS诱导大鼠肺部炎症。Dong等[45]研究发现，气管内输注UC-MSC对高氧诱导ALI大鼠的抗炎作用受益于JAK2、STAT3和血红素加氧酶-1(HO-1)表达的增加。因此，JAK/STAT信号通路对ARDS炎症调控的影响在不同的病理环境下具有特定调节机制。

2.5 Wnt/β-catenin信号通路

Wnt/β-catenin信号通路在细胞的生长、分化和存活中发挥关键作用。在非激活状态下，β-catenin主要参与细胞间黏附。当Wnt蛋白与细胞表面受体结合时，启动信号传导，导致稳定的β-catenin进入细胞核，并与T细胞因子(TCF)/淋巴增强因子(LEF)家族转录因子结合，形成复合物，调控目标基因的转录活性[46]。Wnt/β-catenin信号通路在调控ALI/ARDS肺部损伤修复和再生中至关重要。在脓毒症引起的ARDS中，早期激活的Wnt/β-catenin可能预示受损上皮的再生[47]。持续性肺泡上皮损伤可能导致通气肺泡单位的损失和剧烈的成纤维细胞反应，导致细胞外基质不受控制的沉积。有研究[48,49]发现，肺纤维化患者Wnt/β-catenin信号级联反应异常激活，通过XAV939特异性抑制Wnt/β-catenin通路，可明显减弱小鼠肺纤维化。同时，抑制异常激活的Wnt/β-catenin信号也有助于将MSC分化为上皮样表型，减少其分化为肌成纤维细胞并促进纤维化[48,50]。然而，也有研究[51,52]证实，预处理MSC使其过表达HOXB4或叉头框蛋白M1(FoxM1),可通过激活Wnt/β-catenin信号促进血管内皮屏障修复。

2.6 磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路

PI3K/Akt信号通路在调控细胞凋亡、促进蛋白质合成、调节细胞代谢和生长等生理过程中发挥关键作用。该通路的启动始于PI3K的激活，导致磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)生成。PIP3招募并激活Akt蛋白，而活性的Akt在细胞内调控多个下游效应蛋白，包括雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、糖原合成酶激酶3(GSK-3)和叉头框蛋白O(FOXO)等。PI3K/Akt信号通路介导强大的血管再生和内皮修复作用。Meng等[53]研究发现，mTOR和STAT3介导了BM-MSC旁分泌的肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor, HGF)对LPS诱导的ALI小鼠内皮紧密连接蛋白occludin的表达和内皮屏障的保护，但其治疗效果可被mTOR抑制剂雷帕霉素逆转。另外，AT-MSC衍生的外泌体通过激活血管内皮细胞中PI3K/Akt信号通路磷酸化改善组蛋白诱导的ALI[54]。PI3K/Akt信号通路也参与了MSC及MSC-EXO的抗炎及免疫调控作用。Liu等[55]研究发现，UC-MSC衍生的外泌体miR-451通过靶向调控巨噬细胞迁移抑制因子(MIF)-PI3K-Akt信号通路，减少烧伤诱导的ALI小鼠肺部巨噬细胞聚集，并促进巨噬细胞M1向M2极化。

细胞自噬是一种细胞自我降解和回收不需要的细胞器和蛋白质的生物过程，有助于维持细胞内稳态和适应环境变化，PI3K/Akt信号通路在调控细胞自噬过程中起主要作用。Wang等[56]研究发现，通过激活PI3K/Akt/HO-1通路，BM-MSC抑制了IRI诱导的ALI小鼠肺部巨噬细胞自噬水平，进而减轻肺部炎症。Wei等[57]研究发现，MSC及MSC-EXO释放的MicroRNA-377-3P通过靶向mTOR调节相关蛋白(RPTOR),从而激活内皮细胞自噬，缓解氧化应激和肺部炎症损伤。此外，Li等[58]也发现，通过激活PI3K/Akt信号通路，BM-MSC促进了IRI诱导的ALI小鼠肺血管内皮细胞自噬，从而减轻内皮通透性。因此，关于自噬在ALI/ARDS 中的作用存在相互矛盾的结果，自噬在 ALI/ARDS 中的不同作用可能取决于肺损伤期间受影响的细胞类型。

3、小结与展望

作为一种在短时间内发生的急性弥漫性肺损伤，ALI/ARDS具有严重的临床结局，所以对其治疗充满了挑战。MSC和MSC-EXO作为治疗ALI/ARDS的新型策略备受关注。ARDS的发生、发展关联多条信号通路，而MSC及MSC-EXO则通过对这些信号通路的调控发挥其治疗作用。然而，值得注意的是，对同一信号通路的抑制或激活取决于特定的病理环境和受影响的细胞类型。对分子机制的深入研究为ALI/ARDS的靶向治疗和精准医疗提供了新的可能。通过对MSC及MSC-EXO治疗ALI/ARDS的作用机制进行全面综述，不仅有助于加深人们对其临床应用的理解，还为未来的分子机制研究提供重要的研究基础。

基金资助:国家自然科学基金(81571916,81372079,81201478);浙江省重点研发项目(2024C03186);国家-浙江省中医药管理局共建重大项目(GZY-ZJ-KJ-24030);

文章来源:丁洪波,季晓珍,许永安.间充质干细胞及其外泌体在治疗ALI/ARDS中的机制研究进展[J].中国急救医学,2024,44(06):548-553.