李 寧,金世柱,楊寧寧

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院消化內(nèi)科,哈爾濱 150086)

正常的腸道黏膜免疫系統(tǒng)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),這依賴于促炎細胞因子和抗炎細胞因子之間的平衡來維持,一旦平衡被打破,可能會導(dǎo)致效應(yīng)細胞過度增殖或調(diào)節(jié)細胞功能下降,從而引起黏膜炎癥。 目前炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)的確切病因和發(fā)病機制尚不清楚,但已有研究表明遺傳易感性、環(huán)境、微生物菌群失調(diào)等與IBD的過度免疫反應(yīng)和腸道黏膜損傷有關(guān),而這種持續(xù)的異常免疫反應(yīng)主要是由腸上皮屏障功能障礙和腸黏膜免疫調(diào)節(jié)缺陷所致[1]。 間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)具有誘導(dǎo)損傷組織再生和細胞分化的潛力,它能使移植后的機體具有耐受性,這些特征使其成為治療IBD 的有效手段[2]。MSC 可以調(diào)控免疫反應(yīng),改善炎癥微環(huán)境,從而發(fā)揮抗炎作用,這也是MSC 治療IBD 的重要機制。

1 MSC 的概述

1966 年研究人員首次從豚鼠骨髓中分離出MSC,并將其培養(yǎng),此后,人們對其特點及治療作用的研究從未間斷[3]。 MSC 可從多種組織中分離培養(yǎng),如骨髓、臍帶血、胎盤、脂肪組織等。 MSC 是一種具有自我更新和多向分化潛能的成纖維細胞樣的基質(zhì)細胞[4],具有轉(zhuǎn)分化為多種中胚層細胞類型(如脂肪細胞、心肌細胞、軟骨細胞、成骨細胞等)的能力[5]。 MSC 具有低免疫原性和免疫調(diào)節(jié)特性,在多種炎癥性疾病中具有治療作用,另外,MSC 可以在損傷部位釋放細胞因子抑制炎癥,表達生長因子刺激愈合,分泌免疫調(diào)節(jié)蛋白改變宿主免疫應(yīng)答并分泌抗凋亡因子等[6]。 但MSC 的儲存和運輸困難,在體內(nèi)存留時間短等弊端也為MSC 的移植帶來了挑戰(zhàn)[5]。 有研究表明,MSC 可以分泌外泌體,調(diào)節(jié)腸道免疫微環(huán)境,從而促進損傷部位的細胞再生和組織修復(fù)[7]。 基于這些特性,以MSC 為基礎(chǔ)的細胞療法可能為某些難治性的炎癥性疾病和自身免疫性疾病的治療帶來了新的希望。

2 IBD 的概述

IBD 是一種復(fù)雜的免疫介導(dǎo)的胃腸道慢性復(fù)發(fā)性炎癥性疾病,它主要包括克羅恩病(Crohn’ s disease,CD) 和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)。 研究表明,腸道組織中異常激活的CD4+T 細胞浸潤是IBD 的核心特征,CD4+T 細胞主要包括輔助性T(helper T,Th)1、Th2、Th17 細胞和調(diào)節(jié)性T(regulatory T,Tregs)細胞[8-9]。 雖然CD 和UC 都是由過度的免疫反應(yīng)引起,但導(dǎo)致疾病發(fā)生的T 細胞亞群不同。 CD 由產(chǎn)生干擾素(interferon,IFN)-γ 的Th1 細胞介導(dǎo),而UC 與Th2 細胞介導(dǎo)的免疫應(yīng)答相關(guān)[10-11]。 Th17 細胞可以產(chǎn)生促炎細胞因子,如白細胞介素(interleukin,IL)-17、IL-21、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α 等,現(xiàn)已證明Th17細胞在CD 和UC 的腸道炎癥中均發(fā)揮關(guān)鍵作用[12]。 另外,Tregs 細胞也與IBD 的發(fā)病機制密切相關(guān),并且在維持腸道免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的過程中有重要作用[13]。 所以,Tregs 細胞與Th1、Th2 和Th17 細胞之間的平衡失調(diào)會促進炎癥的發(fā)展,從而導(dǎo)致黏膜損傷和疾病進展,這也是IBD 發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵性因素。

3 MSC 治療IBD 的免疫調(diào)節(jié)機制

在IBD 動物模型的臨床前研究和臨床試驗中,MSC 治療IBD 已經(jīng)取得了一定的研究進展。 MSC經(jīng)靜脈注射后,可歸巢至腸道損傷部位并定植于腸黏膜,在局部控制炎癥的發(fā)展,改善局部微循環(huán),修復(fù)受損組織[14]。 研究表明,MSC 治療IBD 主要是通過細胞間直接接觸以及旁分泌作用對T 細胞亞群,樹突狀細胞(dendritic cell,DC)和巨噬細胞進行免疫調(diào)節(jié),恢復(fù)腸黏膜屏障,促進損傷組織的修復(fù)[15-16]。 以下將詳細介紹MSC 治療IBD 的免疫調(diào)節(jié)機制。

3.1 MSC 對T 細胞亞群的調(diào)節(jié)

3.1.1 Th1 與Th2 細胞

當IBD 發(fā)生時,免疫系統(tǒng)的平衡受到破壞,Th細胞被腸道分泌物,腸道細菌和免疫相關(guān)蛋白激活,Th1 細胞引起黏膜炎癥,而Th2 細胞可以通過調(diào)節(jié)Th1 與Th2 的比率抑制過度的炎癥反應(yīng)[17-18]。MSC 通過抑制Th1 型促炎因子如TNF-α,IFN-γ 的表達,并增強Th2 型抗炎因子如IL-10 的表達來發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[19]。 另外,MSC 可以通過表達吲哚胺2,3-雙加氧酶(indoleamine2,3-dioxygenase,IDO)誘導(dǎo)Th2 細胞的分化和成熟,從而導(dǎo)致色氨酸耗竭以及色氨酸代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生,而色氨酸代謝產(chǎn)物也促進了Th1 細胞的凋亡[20]。

3.1.2 Th17 細胞

Th17 細胞是T 細胞的促炎亞型,當Th17 細胞過多時會導(dǎo)致組織損傷,同時IL-17 的表達明顯增加,而IL-17 是IBD 發(fā)生的關(guān)鍵性因素,它可以使中性粒細胞聚集到周圍組織,以放大局部炎癥[21]。 研究表明,在IBD 的動物模型中應(yīng)用MSC 后,IL-17 的表達明顯降低,同時也降低了脾臟中IL-17/IFN-γ產(chǎn)生細胞的頻率,減少了中性粒細胞在腸道中的積累[19,22]。 另外,MSC 可抑制信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)3 通路,使IL-17 的表達下降,從而抑制Th17細胞的分化,促進IBD 損傷組織的修復(fù)[23]。

3.1.3 Tregs 細胞

腸道炎癥的調(diào)節(jié)與腸道中Tregs 細胞的存在及其功能密切相關(guān),Tregs 細胞可以抑制過度的炎癥反應(yīng),分泌抗炎因子IL-10 和轉(zhuǎn)化生長因子- β(transforming growth factoR-β,TGF-β),并表達叉頭狀轉(zhuǎn)錄因子P3(fork-like transcription factor P3,FoxP3)[24]。 FoxP3 的高表達可通過活化的抗原呈遞細胞直接或間接抑制效應(yīng)T 細胞,從而導(dǎo)致其對自身抗原產(chǎn)生免疫耐受,保護組織免受傷害[25]。MSC 主要通過與細胞直接接觸或產(chǎn)生IL-10,TGF-β等抗炎因子,同時抑制IFN-γ,IL-17 等促炎因子的分泌,從而促進CD4+T 細胞中Tregs 細胞的分化并抑制Th1 和Th17 細胞的分化[11,26]。 所以,在應(yīng)用MSC 治療IBD 后,腸炎的改善可能與Tregs 細胞直接或間接調(diào)控炎癥反應(yīng)有關(guān)。

3.1.4 Th17/Tregs 的平衡

CD4+T 細胞亞群是IBD 發(fā)生與發(fā)展的病理學基礎(chǔ),它在固有層中含量豐富,在與胃腸道中的食物和微生物抗原接觸后被激活。 其中,Th17 細胞和Tregs 細胞之間的平衡尤為重要。 有研究表明,MSC改善IBD 患者病情的重要機制之一就是抑制Th17細胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)并增強體內(nèi)Tregs 細胞的功能[27]。 Th17 細胞通過表達維甲酸相關(guān)孤兒受體γt(retinoic acid-related orphan receptor γt,RORγt)并分泌IL-17,IL-6 等因子發(fā)揮促炎作用;相反,Tregs 細胞通過表達FoxP3 并分泌IL-10,TGF-β 等因子在抗炎過程中發(fā)揮作用[28]。 盡管這是兩種截然不同的表型,但在細胞因子依賴性分化過程中,Th17 細胞和Tregs 細胞可以相互轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。 另外,STAT3與STAT5 的磷酸化水平與Th17 細胞和Tregs 細胞之間的平衡也密切相關(guān)。 在應(yīng)用MSC 治療后,STAT3 磷酸化被抑制,同時誘導(dǎo)了STAT5 的磷酸化。 STAT3 磷酸化會使RORγt 表達增加,從而導(dǎo)致促炎細胞因子的表達水平升高;STAT5 磷酸化會抑制Th17 細胞的分化和細胞因子IL-17 的產(chǎn)生,同時增加了Tregs 細胞的分化和FoxP3 的表達[23]。 所以,通過調(diào)節(jié)STAT3/STAT5 信號通路,可以調(diào)節(jié)IBD 患者的Th17/Tregs 之間的平衡。

3.2 MSC 對DC 的調(diào)節(jié)

DC 在免疫系統(tǒng)中扮演著重要角色,它是先天性免疫和適應(yīng)性免疫之間的橋梁。 DC 的致病作用已在小鼠IBD 模型的研究中得到證實,DC 能夠激活幼稚T 細胞,從而啟動免疫反應(yīng)。 另外,DC 也可誘導(dǎo)免疫耐受以及下調(diào)免疫應(yīng)答,這取決于其成熟狀態(tài)和所涉及到的特定亞群[29]。 研究表明,MSC 可下調(diào)DC 中CD80,CD86 和IL-12 的表達,從而抑制DC 的成熟和激活。 而對于成熟的DC,MSC 可以抑制其遷移,從而降低炎癥因子的表達并削弱DC 的抗原呈遞能力[30-31]。 MSC 還能誘導(dǎo)DC 獲得耐受性表型,即耐受性樹突狀細胞(tolerogenic dendritic cell,tDC),tDC 通過抑制效應(yīng)T 細胞,誘導(dǎo)和激活Tregs 細胞,在維持和重建組織穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[32]。

3.3 MSC 對巨噬細胞的調(diào)節(jié)

在炎癥環(huán)境下,MSC 可以招募巨噬細胞到達炎癥部位,增強組織再生和免疫調(diào)節(jié)功能。 在IBD 的受損腸道組織中,我們可以觀察到兩種類型的巨噬細胞:M1(促炎癥表型)和M2(抗炎癥表型),這些細胞在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)中具有重要作用[10]。 M1 型巨噬細胞通過誘導(dǎo)I 型免疫應(yīng)答,產(chǎn)生大量的炎癥因子,在促炎反應(yīng)中發(fā)揮重要作用;相反,M2 型巨噬細胞通過清除殘基和促進血管生成參與II 型免疫應(yīng)答,它們還可以通過抑制核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)和STAT 信號通路,在免疫調(diào)節(jié)和組織修復(fù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用[33]。 研究表明,IBD 發(fā)生時,促炎因子如TNF-α,IFN-γ 的表達水平增加,從而刺激MSC 分泌免疫調(diào)節(jié)可溶性因子,如前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)和腫瘤壞死因子α 刺激基因-6(tumour necrosis factor α stimulated gene-6,TSG-6)[34-35]。 PGE2 可與巨噬細胞上的受體結(jié)合,使巨噬細胞從M1 型轉(zhuǎn)變?yōu)镸2 型;TSG-6 被認為是一種有效的中性粒細胞遷移抑制劑,抑制組織常駐免疫細胞中炎癥信號的傳導(dǎo),并使巨噬細胞極化為M2 型,從而抑制炎癥反應(yīng)[36-37]。

3.4 MSC 來源的外泌體(MSC-derived exosome,MSC-Exo)介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)

MSC 可以通過旁分泌的方式發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用,其中最重要的旁分泌物質(zhì)之一就是外泌體。 外泌體是細胞分泌的具有磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的納米級囊泡,它包含蛋白質(zhì),microRNA,mRNA 等多種物質(zhì)[38]。 有研究表明MSC-Exo 可以使巨噬細胞極化至M2 型,從而下調(diào)炎癥反應(yīng),維持腸道黏膜屏障的完整性[39]。 另外,MSC-Exo 還可以抑制T 細胞的增殖和分化,促進活化T 細胞的凋亡,同時它也可以聚集Tregs 細胞,并最終導(dǎo)致促炎細胞因子TNF-α,IFN-γ 等表達下降,抗炎細胞因子IL-10,TGF-β 等表達增加,從而促進腸道損傷組織的修復(fù)[15,40]。 此外,MSC-Exo 還可以抑制氧化應(yīng)激反應(yīng),使氧化誘導(dǎo)因子如髓過氧化物酶(myeloperoxidase,MPO),丙二醛(malondialdehyde,MDA)的表達下降,抗氧化因子如谷胱甘肽(glutathione,GSH),超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的表達升高,從而緩解IBD 患者的癥狀[39]。

4 總結(jié)

目前,IBD 的發(fā)病率逐年上升,由于其反復(fù)發(fā)作,難以治愈,患者需要長期服用激素等藥物治療,而藥物所致的副作用也給患者的身心帶來了嚴重的影響。 雖然IBD 病因尚不明確,但越來越多的研究證實免疫失調(diào)是IBD 發(fā)生與發(fā)展的重要因素之一。 現(xiàn)階段,MSC 療法的試驗為IBD 患者帶來了希望。 MSC 可以通過多種方式治療IBD,隨著關(guān)于Th細胞和Tregs 細胞相互調(diào)節(jié)的新信息不斷被揭示,免疫干預(yù)的新策略也正在迅速出現(xiàn)。 目前的研究顯示,MSC 治療IBD 主要是通過細胞直接接觸,誘導(dǎo)可溶性分子,以及分泌外泌體等方式發(fā)揮免疫抑制作用。 MSC 調(diào)節(jié)著Th 細胞與Tregs 細胞之間的平衡,這對于維持腸道穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要,而這種方式能否長期起到調(diào)節(jié)作用,還需要進一步的實驗去證實。 MSC 療法對免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用不僅為IBD的治療提供了新的策略,也為臨床上其他難以治愈的炎癥性疾病和自身免疫性疾病開辟了新的前景。