程遠(yuǎn)航 陳津 吳衛(wèi)真

隨著X 射線成像，計(jì)算機(jī)斷層掃描和核醫(yī)學(xué)的應(yīng)用，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)高速發(fā)展，電離輻射在現(xiàn)代社會中起著重要的作用[1]。但在利用電離輻射惠及成果的同時(shí)也避免不了電離輻射帶來的危害。雖然近年來研究了很多治療輻射損傷的藥物，在減輕輻射損傷方面起到了一定的作用，但應(yīng)用和療效卻很有限[2]。間充質(zhì)干細(xì)胞 （mesenchymal stem cell，MSC）具有調(diào)節(jié)炎癥、抑制細(xì)胞凋亡、促進(jìn)血管生成以及支持局部干細(xì)胞和祖細(xì)胞生長和分化的能力，因此在治療組織輻射損傷中具有巨大潛力[3]。越來越多人發(fā)現(xiàn)，MSC 主要通過旁分泌的因子發(fā)揮作用。MSC 外泌體是MSC 分泌的胞外膜微囊，可以攜帶MSC 的活性分子如小分子蛋白和miRNA 等發(fā)揮作用[4]。因此，本文將重點(diǎn)從電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)、MSC 和外泌體的生物學(xué)功能以及其在電離輻射損傷修復(fù)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)

電離輻射生物效應(yīng)指的是機(jī)體受到電離輻射后，機(jī)體的生物大分子、細(xì)胞、組織和器官因能量傳遞所導(dǎo)致的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的改變[5]。電離輻射分為直接和間接輻射。直接輻射是輻射釋放的能量直接或間接破壞原子鍵；間接電離輻射則是源于水的解離產(chǎn)生自由基，從而導(dǎo)致原子鍵的斷裂和其他破壞。因此，電離輻射不僅可直接導(dǎo)致DNA 損傷，也可通過產(chǎn)生活性氧 （reactive oxygen species，ROS）和自由基導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)及脂質(zhì)的損傷。而這些損傷可導(dǎo)致組織細(xì)胞凋亡、壞死、致畸或致癌等，更有甚者直接導(dǎo)致死亡，嚴(yán)重影響人體健康[6-7]。電離輻射在細(xì)胞中的主要靶標(biāo)是DNA，其損傷可能是單鏈DNA 或雙鏈DNA 斷裂，而后者更難修復(fù)。雙鏈DNA 斷裂通常會導(dǎo)致細(xì)胞死亡，是電離輻射最嚴(yán)重?fù)p傷之一[8]。DNA 雙鏈斷裂會導(dǎo)致染色體斷裂或重排，誘發(fā)突變或遺傳信息的改變。哺乳動物細(xì)胞通過激活參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和DNA 修復(fù)途徑的多種蛋白質(zhì)來響應(yīng)DNA 雙鍵斷裂[9]。盡管大多數(shù)的損傷都能得到有效的修復(fù)，但DNA 雙鏈斷裂會導(dǎo)致基因組的完整性降低，影響細(xì)胞存活，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡，從而威脅哺乳動物的生命健康[10]。

電離輻射還可以通過阻止或延遲染色體的復(fù)制來改變細(xì)胞周期。電離輻射產(chǎn)生的ROS 可影響細(xì)胞周期，低濃度的ROS 抑制細(xì)胞周期中G1 期的氧化酶，而高濃度的ROS 可使細(xì)胞周期阻滯在G1、G2、S 和M 期[11]。細(xì)胞通常會檢測到這些異常，然后通過凋亡使細(xì)胞自殺。細(xì)胞凋亡引起的細(xì)胞死亡并不伴隨炎癥過程，而有絲分裂死亡和壞死與炎癥反應(yīng)有關(guān)。其結(jié)果通常會導(dǎo)致在輻射下的機(jī)體發(fā)生全身性炎癥反應(yīng)綜合征或多器官功能障礙，甚至死亡[12]。

因此，電離輻射不但直接造成生物膜結(jié)構(gòu)的破壞、DNA單鏈或雙鏈斷裂、蛋白酶的失活等生物大分子的損傷，而且還會產(chǎn)生一系列的細(xì)胞因子引起氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，激活細(xì)胞凋亡自噬等信號通路，甚至?xí)?dǎo)致細(xì)胞的癌變。

二、MSC 及其外泌體的生物學(xué)功能

MSC 是具有自我更新功能的多能祖細(xì)胞，可以從多種生物組織中分離出來[13]。MSC 因其來源廣泛和具有多系分化潛能，目前已廣泛應(yīng)用于臨床研究[14]。MSC 還具有響應(yīng)環(huán)境信號遷移到受損部位的能力、抑制免疫系統(tǒng)、促進(jìn)細(xì)胞活性或誘導(dǎo)血管生成的功能，并且能通過旁分泌作用，分泌細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)等調(diào)節(jié)炎癥、促進(jìn)組織修復(fù)[15-18]。

MSC 外泌體是一種由MSC 分泌的具有生物學(xué)功能的膜性小囊泡，其直徑大小約30 ～ 150 nm[19-20]。外泌體由多囊泡體與質(zhì)膜融合形成或直接從質(zhì)膜釋放[21-22]，最初被認(rèn)為是細(xì)胞排出的垃圾成分，但隨著研究的深入，可知外泌體囊泡中富含蛋白質(zhì)[23]、mRNA 和microRNA 等成分[24-25]，這些成分可參與調(diào)節(jié)或介導(dǎo)細(xì)胞間重要的通訊功能，參與多種生理或病理過程，包括抗原呈遞、RNA 運(yùn)輸和組織修復(fù)等。

其中MSC 及其外泌體在電離輻射損傷修復(fù)中主要通過調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)來改善受損細(xì)胞周圍微環(huán)境[26-27]，促進(jìn)受損細(xì)胞的修復(fù)。另外MSC 外泌體中miRNA 可靶向相關(guān)損傷因子和炎癥因子[28]，通過激活相關(guān)信號通路，來調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)或輻射所致DNA 雙鏈斷裂的修復(fù)[29-30]，從而促進(jìn)受損細(xì)胞的存活或殘存細(xì)胞的增殖，達(dá)到輻射損傷修復(fù)的作用。

三、MSC 及其外泌體在電離輻射損傷中的應(yīng)用

1.MSC 對輻射性腸損傷修復(fù)的研究：輻射誘發(fā)的腸病常在接受盆腹腔放療的癌癥患者和意外暴露于輻射的個(gè)體中誘發(fā)。輻射性腸病主要包括腸缺血、黏膜炎、潰瘍、壞死甚至穿孔等難治性病變，這些疾病不僅嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，在某些情況下也可危及生命[31]。在最新研究中，小鼠骨髓MSC 及其外泌體在修復(fù)腸道輻射損傷的主要益處在于其抗炎作用、促進(jìn)新生血管形成和修復(fù)上皮細(xì)胞完整性等[32-33]。動物實(shí)驗(yàn)表明，MSC 可提高腹部輻射后小鼠的存活率，促進(jìn)輻射誘導(dǎo)后小腸損傷的修復(fù)作用，激活小鼠小腸中Wnt/β-catenin 信號通路來促進(jìn)小腸上皮細(xì)胞的增殖[34-35]。

2.MSC 對輻射性肝損傷修復(fù)的研究：肝臟也是一個(gè)對輻射敏感的器官，容易受到輻射損傷。在肝癌的放射治療中會導(dǎo)致放射性肝損傷，這也可能是一個(gè)威脅生命的因素[36]。目前治療輻射損傷的方法依賴于不同藥物的抗氧化和抗炎能力，以及它們滅活ROS 的能力。干細(xì)胞移植等新治療策略作為肝病再生醫(yī)學(xué)的一種很有前途的方法已經(jīng)引起了人們的極大興趣[37]。干細(xì)胞治療肝病患者的試驗(yàn)已經(jīng)開始，但仍處于早期研究階段。部分研究結(jié)果表明，脂肪MSC 可向受損組織部位遷移，通過釋放不同的生長因子和細(xì)胞因子，發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)、抗炎、促血管生成和抗凋亡的作用，恢復(fù)肝細(xì)胞數(shù)量，支持肝細(xì)胞的再生和自我更新，從而增強(qiáng)肝功能來糾正輻射性誘發(fā)的肝功能不全[38-40]。

3.MSC 對輻射性皮膚損傷修復(fù)的研究：輻射性皮炎常是由于皮膚和黏膜暴露于輻射下引起的，輻射導(dǎo)致的皮膚壞死性潰瘍，其特點(diǎn)是長期反復(fù)發(fā)作并伴隨劇烈疼痛，通常需要很長時(shí)間才能愈合，長時(shí)間也可發(fā)展為癌癥，給患者帶來了極大的身心痛苦[41]。越來越多研究表明MSC 及其外泌體在恢復(fù)皮膚輻射損傷方面表現(xiàn)出巨大潛力。據(jù)報(bào)道，骨髓MSC 在皮膚修復(fù)和再生中具有重要作用，不僅可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，還可以通過旁分泌系統(tǒng)分泌各種生長因子和趨化因子，包括血管生成素、人單核細(xì)胞趨化蛋白-1、白細(xì)胞介素-8、胰島素生長因子和轉(zhuǎn)化因子等。這些因子可減少炎癥反應(yīng)和促進(jìn)血管生成，從而改善輻射后損傷皮膚的局部微環(huán)境，極大的提高了損傷皮膚愈合的速度和質(zhì)量[42]。

4.MSC 及其外泌體對造血系統(tǒng)輻射損傷修復(fù)的研究：造血干細(xì)胞的細(xì)胞凋亡和增殖對于維持造血系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，但由于其對輻射敏感，暴露于輻射會導(dǎo)致DNA 損傷和細(xì)胞凋亡，進(jìn)而導(dǎo)致骨髓衰竭[43]。動物研究表明，人骨髓MSC 及其外泌體能在體內(nèi)和體外挽救小鼠骨髓造血系統(tǒng)的輻射損傷[44]。向暴露于500 cGy 的小鼠靜脈注射MSC 及其外泌體可恢復(fù)部分外周血細(xì)胞計(jì)數(shù)和骨髓功能，鼠造血細(xì)胞系FDC-P1 暴露于500 cGy 后，在小鼠骨髓或人骨髓MSC 外泌體干預(yù)下，F(xiàn)DC-P1 細(xì)胞顯示出生長抑制、DNA 損傷和細(xì)胞凋亡的逆轉(zhuǎn)。鼠類和人類MSC 外泌體均可逆轉(zhuǎn)輻射對鼠類骨髓細(xì)胞的損害，并刺激鼠類正常的骨髓干/祖細(xì)胞增殖。

5.MSC 及其外泌體對輻射性肺損傷修復(fù)的研究：當(dāng)X射線照射肺組織時(shí)，輻射會直接或間接損傷細(xì)胞。一旦輻射所致的損傷超出人體固有的修復(fù)能力，就會發(fā)生輻射誘發(fā)的肺損傷。放射性肺損傷可分為放射性肺炎和放射性肺纖維化2 個(gè)階段[45]。研究表明輻射性肺損傷主要是電離輻射引起上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的損害，導(dǎo)致血?dú)馄琳瞎δ苷系K，進(jìn)一步激活肺泡巨噬細(xì)胞并上調(diào)轉(zhuǎn)化因子、腫瘤壞死因子-α、IL- 1β、IL-6 和IL-12 等，而人體的免疫反應(yīng)可以放大這一過程，從而增加局部炎癥反應(yīng)并引起間質(zhì)性肺炎的發(fā)展，慢性炎癥的持續(xù)最終導(dǎo)致肺纖維化[46]。研究表明，將人臍帶血來源的MSC 與放射肺活檢標(biāo)本共培養(yǎng)，MSC 會遷移至輻射損傷的部位修復(fù)受損的肺組織，促進(jìn)正常肺組織的增殖，以完成正常的細(xì)胞功能，同時(shí)MSC 通過產(chǎn)生抗氧化酶來降低氧化應(yīng)激和ROS 水平，從而保護(hù)肺免受輻射引起的內(nèi)皮損傷[47]。

MSC 在靜脈注射后，只有少量的MSC 到達(dá)肺輻射損傷部位，而這些細(xì)胞中也只有一小部分可以整合到組織中并在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮其功能，因而MSC 旁分泌作用備受關(guān)注。據(jù)報(bào)道，在輻射性肺損傷中，MSC 外泌體中高豐度的miRNA可防止損傷組織的炎癥和纖維化活動。例如：miRNA-181C可以通過靶向TLR4/p65 蛋白信號通路來降低IL-1β 和TNF- α 的表達(dá)，另外還有很多miRNA 可以與輻射所致的損傷相關(guān)因子和炎癥因子靶向，因此，MSC 外泌體釋放的miRNA 在輻射性肺損傷治療中存在巨大的潛力[48]。但目前MSC 及其外泌體用于放射性肺炎治療中有一定效果，但在放射性肺纖維化中收效甚微，因此MSC 在動物和臨床實(shí)驗(yàn)中還有很長的路要走[49]。

總的來說，電離輻射對組織或器官損傷的機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，絕不僅僅是單一的一種。自二十一世紀(jì)以來，對電離輻射損傷的研究更加深入。研究發(fā)現(xiàn)電離輻射不僅可直接造成生物的膜結(jié)構(gòu)破壞，DNA 單鏈或雙鏈斷裂，蛋白酶的失活等生物大分子的損傷，還會產(chǎn)生一系列的ROS，引起氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)、激活細(xì)胞凋亡等信號通路，從而導(dǎo)致細(xì)胞損傷或死亡。盡管在輻射損傷修復(fù)的藥物研究方面投入很大，但能應(yīng)用于臨床且效果良好的藥物卻不多，而MSC 因其分化潛能和促進(jìn)組織修復(fù)等功能，目前已廣泛應(yīng)用于電離輻射損傷修復(fù)，并且在促進(jìn)損傷修復(fù)方面起到很不錯(cuò)的效果，被認(rèn)為是安全可行的治療方案。但MSC 移植治療仍存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)，例如免疫介導(dǎo)排斥、醫(yī)源性腫瘤形成和輸注毒性等，進(jìn)而一種無細(xì)胞治療的方式開始進(jìn)入研究領(lǐng)域。MSC 外泌體內(nèi)包含細(xì)胞因子、生長因子、特異性蛋白、mRNA 和調(diào)節(jié)性miRNA。由于他們的體積小、毒性小、靶標(biāo)特異性好以及能被人體所耐受，因此外泌體可視為細(xì)胞信號傳遞的載體。此外，與MSC 相比，外泌體可以大規(guī)模提取，更易于處理，也不存在倫理學(xué)的問題。外泌體的生物學(xué)研究一直處于發(fā)展的初期，為了外泌體更安全有效地應(yīng)用于治療，需要付出更多的努力。MSC 外泌體在電離輻射損傷修復(fù)中的應(yīng)用前景巨大，盡管MSC 外泌體在電離輻射損傷修復(fù)中的研究才剛剛開始，其生物學(xué)特性以及其在各器官中具體的修復(fù)機(jī)制也尚不完全清楚，但就目前的研究成果而言，MSC 外泌體有機(jī)會成為治療電離輻射損傷新的治療策略，成為臨床上治療電離輻射損傷的方法之一。