牛世英 楊彤 張?jiān)掠?/p>

山東第一醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，濟(jì)南 250062

放射性肺損傷(radiation-induced lung injury，RILI)是對(duì)胸部的惡性腫瘤進(jìn)行放射治療引起的并發(fā)癥，最多見(jiàn)于對(duì)肺癌、乳腺癌的放療。在放療過(guò)程中可使病變周?chē)姆谓M織因接受到超過(guò)其閾值的放射劑量導(dǎo)致產(chǎn)生不可逆性的損傷。RILI的輕重隨著放射劑量、放射部位和放射的范圍不同而有差異。大面積、高劑量的放療，RILI的發(fā)生率和嚴(yán)重程度大。RILI的病理變化包括兩個(gè)階段：早期的放射性肺炎和后期的放射性肺纖維化。雖然放療技術(shù)的有所發(fā)展，但接受胸部放射治療的患者仍有30%會(huì)發(fā)生RILI。RILI的發(fā)生涉及多種因素，現(xiàn)普遍認(rèn)為是射線(xiàn)導(dǎo)致Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷產(chǎn)生的多細(xì)胞因子級(jí)聯(lián)的結(jié)果，從而引起炎癥和纖維化。

1 RILI的機(jī)制

1.1 細(xì)胞損傷 當(dāng)肺暴露于射線(xiàn)時(shí)，首先出現(xiàn)的反應(yīng)就是細(xì)胞損傷，包括內(nèi)皮細(xì)胞和上皮細(xì)胞。上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞損傷時(shí)，其完整性被破壞，隨后會(huì)有一系列細(xì)胞因子被釋放，以至于大量?jī)?nèi)容物和炎性細(xì)胞集聚于肺泡腔，從而引起炎癥反應(yīng)。炎癥反應(yīng)的長(zhǎng)期不斷刺激導(dǎo)致纖維化的發(fā)生。細(xì)胞凋亡是細(xì)胞的一種基本生物學(xué)現(xiàn)象，在生物體進(jìn)化、內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定以及系統(tǒng)發(fā)育中起著重要作用。同時(shí)，細(xì)胞凋亡也存在于病理情況下。有研究表明，射線(xiàn)引起RILI的過(guò)程中，細(xì)胞凋亡起著重要作用。以下是射線(xiàn)引起的幾種細(xì)胞的凋亡。

1.1.1 血管內(nèi)皮細(xì)胞 血管內(nèi)皮細(xì)胞位于血管內(nèi)壁的單層扁平上皮，構(gòu)成了血管組織間屏障的重要成分，在血管生成、收縮與舒張中起著重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，血管內(nèi)皮細(xì)胞是輻射敏感細(xì)胞，照射劑量一旦超過(guò)其閾值，血管內(nèi)皮細(xì)胞便會(huì)發(fā)生損傷，最主要的結(jié)果就是凋亡反應(yīng)，之后便會(huì)引起細(xì)胞因子瀑布反應(yīng)，導(dǎo)致炎性細(xì)胞和內(nèi)容物滲出，激發(fā)炎癥反應(yīng)；同時(shí)，炎性細(xì)胞和內(nèi)容物的不斷刺激導(dǎo)致纖維化形成[1]。并且射線(xiàn)導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷，屏障功能受到破壞，血管通透性增強(qiáng)，大量的炎癥因子從受損細(xì)胞中釋放，從而引起炎癥反應(yīng)[2]。此外，當(dāng)肺部接受射線(xiàn)照射后，會(huì)引起氧自由基的產(chǎn)生[5]，誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡。因此血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡在細(xì)胞損傷中起著重要作用。

1.1.2 肺泡上皮細(xì)胞 射線(xiàn)照射后，肺泡上皮細(xì)胞發(fā)生損傷，主要是Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞發(fā)生凋亡，從而導(dǎo)致肺泡塌陷，促進(jìn)纖維化的發(fā)展。其次，研究發(fā)現(xiàn)，射線(xiàn)照射后，肺實(shí)質(zhì)細(xì)胞中促凋亡基因Bax表達(dá)增加，凋亡抑制因子Bcl-2表達(dá)減少；同時(shí)間質(zhì)細(xì)胞凋亡抑制因子Bcl-2表達(dá)增加，表明促凋亡基因和凋亡抑制基因的不平衡表達(dá)在肺纖維化過(guò)程中可能起重要的作用[3]。研究還發(fā)現(xiàn)，肺泡上皮細(xì)胞數(shù)量的減少導(dǎo)致成纖維細(xì)胞過(guò)度增生，從而發(fā)生纖維化；而且Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞的凋亡也會(huì)影響Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞[4-6]。此外，最近的研究表明，肺泡上皮細(xì)胞可以通過(guò)上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)的過(guò)程轉(zhuǎn)化為肌成纖維細(xì)胞，并且肺泡上皮細(xì)胞發(fā)生EMT已在人類(lèi)特發(fā)性肺纖維化和實(shí)驗(yàn)性肺纖維化中得到證實(shí)[7-8]。

1.2 肺泡巨噬細(xì)胞聚集 肺部接受射線(xiàn)照射可引起肺泡上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞損傷，從而導(dǎo)致的大量炎癥因子釋放，招募炎細(xì)胞聚集在損傷部位，進(jìn)一步擴(kuò)大炎癥反應(yīng)。同時(shí)，接受射線(xiàn)照射的肺泡巨噬細(xì)胞會(huì)引起活性氧的產(chǎn)生，促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M1表型轉(zhuǎn)化，引起炎癥反應(yīng)[9-10]。其次巨噬細(xì)胞也可通過(guò)釋放轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)導(dǎo)致成纖維細(xì)胞的激活，最終誘發(fā)肺纖維化[5]。

1.3 細(xì)胞因子釋放 細(xì)胞因子在RILI發(fā)生中倍受關(guān)注，受損細(xì)胞會(huì)釋放細(xì)胞因子和趨化因子，促進(jìn)炎性細(xì)胞遷移到受損部位，募集在受損部位的炎性細(xì)胞會(huì)分泌許多細(xì)胞因子，如IL-6、腫瘤壞死因子α、TGF-β1和IL-1α等。這些細(xì)胞因子在放射性肺炎和纖維化的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用[11]。

TGF-β1是與放射性肺纖維化發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)的細(xì)胞因子，是一類(lèi)具有調(diào)控細(xì)胞周期、早期發(fā)育、分化、免疫功能及誘導(dǎo)凋亡的多功能細(xì)胞因子。大量體內(nèi)體外試驗(yàn)證明TGF-β1在細(xì)胞凋亡中發(fā)揮了重要作用，其可以誘導(dǎo)多種細(xì)胞發(fā)生凋亡[3，5]。在肺組織中，肺泡上皮細(xì)胞通過(guò)釋放TGF-β1導(dǎo)致纖維化發(fā)生，并且TGF-β1又可通過(guò)抑制巨噬細(xì)胞分泌的胰島素樣生長(zhǎng)因子1來(lái)促使上皮細(xì)胞凋亡，從而加速纖維化的進(jìn)程。TGF-β1還參與成纖維細(xì)胞的增殖和分化，誘導(dǎo)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化，導(dǎo)致肺纖維化，同時(shí)參與EMT的誘導(dǎo)[12]。因此，TGF-β1在放射性纖維化發(fā)生、發(fā)展中起到重要作用。

IL-6是具有多種功能的細(xì)胞因子，參與調(diào)節(jié)急性炎性反應(yīng)。IL-6可由多種細(xì)胞產(chǎn)生，包括B細(xì)胞、T細(xì)胞、單核巨噬細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞以及腫瘤細(xì)胞。有研究發(fā)現(xiàn)照射區(qū)肺組織中的IL-6 m RNA水平明顯上調(diào)[13]。因此，IL-6參與了放射性肺炎的發(fā)生。

1.4 基底膜破壞 基質(zhì)金屬蛋白酶(matrixmetallo proteinases，MMPs)是一類(lèi)蛋白水解酶，能特異的降解細(xì)胞外基質(zhì)，參與了多種纖維化疾病的發(fā)展過(guò)程，其在放射性肺纖維化中的作用也引起人們的注意，尤其以MMP-2、MMP-9較重要。在RILI發(fā)生時(shí)，檢測(cè)到MMP-2、MMP-9的表達(dá)上調(diào)，兩者可以降解Ⅳ型膠原(基底膜的成分)，因此導(dǎo)致了基底膜破壞?；啄て茐目赡艽龠M(jìn)膠原蛋白的沉積，從而促進(jìn)了放射性肺炎向纖維化進(jìn)展。但具體的調(diào)節(jié)機(jī)制仍然不清楚[8，14]。

1.5 氧化應(yīng)激 當(dāng)肺一旦暴露于射線(xiàn)下，就會(huì)發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，產(chǎn)生氧自由基和活性氧。氧自由基是人體內(nèi)水產(chǎn)生的，具有很強(qiáng)的破壞性，可以破壞各種化學(xué)鍵和DNA雙鍵，是一種有害物質(zhì)。這些氧自由基和活性氧損害肺組織，尤其是上皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞，使細(xì)胞凋亡和上皮屏障功能破壞，導(dǎo)致RILI的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)證明，射線(xiàn)照射后肺內(nèi)產(chǎn)生的大量活性氧可以直接破壞蛋白質(zhì)并產(chǎn)生羥基自由基，進(jìn)而引起DNA損傷[15-16]。此外，活性氧可以破壞線(xiàn)粒體DNA并誘導(dǎo)炎癥和免疫反應(yīng)[17-18]；還可導(dǎo)致細(xì)胞丟失，增加上皮細(xì)胞的血管通透性、蛋白質(zhì)滲出和細(xì)胞凋亡[5]。

2 干細(xì)胞治療

干細(xì)胞是具有自我復(fù)制和多向分化潛能的原始細(xì)胞，是機(jī)體的起源細(xì)胞。而所謂干細(xì)胞治療，就是利用人體干細(xì)胞的分化和修復(fù)原理，把健康干細(xì)胞移植到患者體內(nèi)，以達(dá)到修復(fù)病變細(xì)胞和重建功能正常的細(xì)胞和組織的目的。目前，臨床上主要采用自體干細(xì)胞移植，無(wú)免疫排斥及交叉感染，是一種簡(jiǎn)單、安全的治療方法?，F(xiàn)就利用間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)治療RILI作一敘述。

2.1 概述 MSCs是干細(xì)胞家族的重要成員，來(lái)源于發(fā)育早期的中胚層和外胚層，具有自我復(fù)制能力和多向分化潛能，可誘導(dǎo)分化為脂肪、軟骨及其他組織類(lèi)型細(xì)胞。MSCs可以接受移植，并且他們?cè)诓糠纸M織中會(huì)遷移到病變部位分化為組織特異性功能的細(xì)胞，例如肺上皮細(xì)胞[19，21]，平滑肌細(xì)胞[20-21]。已有實(shí)驗(yàn)證明，MSCs利用細(xì)胞因子分泌與分化等特性修復(fù)損傷的組織器官[21-22]。

2.2 優(yōu)點(diǎn) MSCs的優(yōu)勢(shì)可概括為以下4個(gè)方面：(1)容易獲得；(2)可以歸巢并植入受損組織；(3)具有廣泛的增殖和分化能力；(4)免疫原性低。正因?yàn)檫@幾大優(yōu)勢(shì)，MSCs可以成功地跨越免疫屏障移植。越來(lái)越多的研究證明MSCs治療肺損傷存在2個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：(1)MSCs可以參與調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，促進(jìn)抗炎；(2)MSCs可以在全身給藥后遷移到損傷部位，它們中的一部分會(huì)分化成相應(yīng)的組織細(xì)胞以替代損傷的肺組織，促進(jìn)肺組織的修復(fù)[23]。先前MSCs與輻射肺活檢組織共培養(yǎng)的體外實(shí)驗(yàn)證明了MSCs可以分化為上皮細(xì)胞的能力，雖然MSCs具有分化的能力，但它們?cè)诮M織中很快被免疫系統(tǒng)清除，且可以通過(guò)分泌細(xì)胞因子來(lái)促進(jìn)組織修復(fù)[24]。

2.3 用于治療RILI的MSCs分類(lèi)及其治療機(jī)制

2.3.1 骨髓MSCs治療RILI的機(jī)制 骨髓MSCs是骨髓內(nèi)存在的一類(lèi)非造血干細(xì)胞，其在體內(nèi)外具有支持和調(diào)控造血的作用，并且在體內(nèi)可分布于多種組織和器官，具有多向分化潛能，因此目前其在醫(yī)學(xué)上難以攻克的一些疾病方面具有重大應(yīng)用潛力。骨髓MSCs在治療RILI中可能存在的機(jī)制有以下幾點(diǎn)。(1)具有抗輻射特性。有學(xué)者在小鼠組織中研究了骨髓MSCs對(duì)輻射的反應(yīng)，骨髓MSCs具有更高的體外存活率和抗輻射能力[21]。骨髓MSCs通過(guò)產(chǎn)生抗氧化酶(如超氧化物歧化酶1、3，錳超氧化物歧化酶)降低氧化應(yīng)激和活性氧水平，保護(hù)肺免受輻射誘導(dǎo)的內(nèi)皮損傷。此外，有實(shí)驗(yàn)證明骨髓MSCs在缺氧條件下抗輻射特性更加顯著[25]。(2)具有高效的修復(fù)系統(tǒng)。電離輻射可導(dǎo)致DNA雙鏈斷裂直接破壞DNA結(jié)構(gòu)，也可通過(guò)產(chǎn)生活性氧間接影響基因組DNA和線(xiàn)粒體DNA結(jié)構(gòu)，損害DNA分子[26]。因此，放射治療會(huì)導(dǎo)致不同形式的DNA損傷。其中最嚴(yán)重的是DNA雙鏈斷裂。研究表明，骨髓MSCs具有高效的DNA雙鏈損傷修復(fù)系統(tǒng)[20，27]。(3)抑制上皮細(xì)胞EMT。先前有文獻(xiàn)報(bào)道，存在于腫瘤環(huán)境中的MSCs可以促進(jìn)癌細(xì)胞EMT[28]，例如乳腺癌[29]、胃癌[30]。一些MSCs整合到腫瘤中時(shí)受腫瘤微環(huán)境的影響，會(huì)轉(zhuǎn)化為腫瘤相關(guān)MSCs，腫瘤相關(guān)MSCs會(huì)通過(guò)微環(huán)境的調(diào)節(jié)顯示出更強(qiáng)的腫瘤促進(jìn)能力，并且通過(guò)微環(huán)境中的分泌因子促進(jìn)癌細(xì)胞EMT[28]。然而在炎癥病灶中，MSCs通過(guò)旁分泌刺激對(duì)鄰近細(xì)胞顯示出有益的作用[20]。有研究報(bào)道，受傷的肺組織保留了骨髓MSCs在肺中的滯留，且骨髓MSCs能夠在肺中分泌多種細(xì)胞因子，通過(guò)上調(diào)細(xì)胞因子的表達(dá)減輕局部損傷，刺激上皮細(xì)胞增殖，抑制上皮細(xì)胞EMT[23，25，31]。而且骨髓MSCs可釋放高水平的生長(zhǎng)因子，如VEGF，有利于傷口的愈合[23]。(4)下調(diào)內(nèi)皮細(xì)胞MMP-2的表達(dá)。Klein等[32]發(fā)現(xiàn)電離輻射后引起內(nèi)皮細(xì)胞MMP-2表達(dá)上調(diào)，破壞血管結(jié)構(gòu)，而MSCs可以減少內(nèi)皮細(xì)胞MMP-2表達(dá)水平，使血管功能正?；?，減輕血管結(jié)構(gòu)的破壞。

2.3.2 人臍帶MSCs治療RILI的機(jī)制 臍帶在臨床上屬于醫(yī)療廢物，來(lái)源廣泛，取材方便，分化潛力大，增殖能力強(qiáng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。人臍帶MSCs能抑制腫瘤的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移，同時(shí)能減輕肝纖維化和腎損傷[33-34]。而其在治療RILI中可能存在的機(jī)制有以下幾點(diǎn)。(1)降低IL-1的水平。在發(fā)生RILI時(shí)IL-1、TGF-β1等短暫升高已在小鼠模型中證實(shí)，并且IL-1有促進(jìn)炎癥和纖維化的作用，可加重病情[23]。有研究證明，人臍帶MSCs能抑制單核巨噬細(xì)胞分泌IL-1，降低IL-1的水平可以減輕RILI的進(jìn)展[35]。但MSCs抑制IL-1分泌的機(jī)制還不清楚。(2)合成IL-10。IL-10是由單核巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的體內(nèi)強(qiáng)有力的抗炎因子，它能抑制巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞的活性，抑制Th1反應(yīng)，并促進(jìn)抗炎分子的分泌，抑制炎癥反應(yīng)，促進(jìn)肺組織的修復(fù)，減輕RILI的進(jìn)展[25，36]。人臍帶MSCs進(jìn)入體內(nèi)可以合成和分泌IL-10，提高抗炎因子的水平。然而，IL-10也是最有爭(zhēng)議的細(xì)胞因子，關(guān)于其在MSCs中的分泌存在矛盾的結(jié)果[21]。(3)抑制肺泡上皮細(xì)胞EMT。Wnt信號(hào)通路在細(xì)胞分化和增殖中起著至關(guān)重要的作用，TGF-β1和Wnt信號(hào)通路之間的協(xié)同作用可以誘導(dǎo)肺泡上皮細(xì)胞經(jīng)歷EMT[35]。Zhang等[37]進(jìn)一步研究了人臍帶來(lái)源的MSCs和Wnt通路之間的聯(lián)系，并發(fā)現(xiàn)正常的肺成纖維細(xì)胞與臍帶來(lái)源的MSCs的共培養(yǎng)削弱了Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)的激活，并且張春陽(yáng)等[38]通過(guò)研究也發(fā)現(xiàn)MSCs可抑制放射線(xiàn)照射后小鼠肺組織內(nèi)Wnt/β-catenin信號(hào)通路的活化。因此Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)成為了減弱RILI的潛在治療靶點(diǎn)。

2.3.3 人脂肪MSCs治療RILI的機(jī)制 人脂肪MSCs通過(guò)分泌前列腺素E2(prostagandin E2，PGE2)和肝細(xì)胞生長(zhǎng) 因 子(hematopoietic growth factor，HGF)下 調(diào)TGF-β1

[25]。人脂肪MSCs分泌的HGF可能通過(guò)結(jié)合c-Met增加細(xì)胞內(nèi)Smad7的水平，并通過(guò)以PI3K/Akt/p70依賴(lài)的方式上調(diào)損傷部位MMP-1、MMP-3和MMP-9的表達(dá)，從而促進(jìn)肌成纖維細(xì)胞的凋亡，抑制EMT[23]。Dong等[39]也觀察到人脂肪MSCs可以通過(guò)分泌HGF來(lái)保護(hù)Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞免受輻射誘導(dǎo)的EMT。人脂肪MSCs分泌的PGE2可促進(jìn)抗炎因子IL-10的產(chǎn)生。此外，PGE2可抑制TGF-β1誘導(dǎo)活化的成纖維細(xì)胞增殖，并且PGE2還通過(guò)增加阻斷PI3K/Akt信號(hào)通路的PTEN蛋白活性誘導(dǎo)肌成纖維細(xì)胞凋亡。這些發(fā)現(xiàn)表明，人脂肪MSCs通過(guò)激活抗炎通路和旁分泌因子的方式抑制纖維化[23，40]。

Jiang等[40]發(fā)現(xiàn)，人脂肪MSCs可以降低血清IL-1、IL-6和腫瘤壞死因子α水平，下調(diào)照射肺組織中TGF-β1和1型膠原水平來(lái)緩解RILI。

3 小結(jié)與展望

RILI是多因素造成的結(jié)果，表現(xiàn)為照射后引起多種靶細(xì)胞損傷，細(xì)胞損傷后立即引起細(xì)胞因子釋放、氧化應(yīng)激等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。MSCs取材簡(jiǎn)單，分化潛能大，增殖能力強(qiáng)，免疫原性低，可作為靶向細(xì)胞應(yīng)用于臨床，是治療RILI的重要部分。

雖然MSCs已經(jīng)被越來(lái)越多的用于許多疾病的治療，但其用于RILI的具體機(jī)制還不是很清楚，MSCs治療后主要表現(xiàn)為炎癥反應(yīng)降低，纖維化緩解。然而，MSCs也可能促進(jìn)組織纖維化。在輻射后立即注入肺中的MSCs會(huì)分化為功能性的肺細(xì)胞，但在輻射后后期再注入就可能參與纖維化的發(fā)展，推測(cè)與后期微環(huán)境改變和TGF-β1水平升高有關(guān)[41]。因此，MSCs治療RILI的時(shí)間窗也是至關(guān)重要的。

值得注意的是，無(wú)癥狀的放射性肺炎的RILI通常在嚴(yán)重纖維化發(fā)展的晚期被診斷出來(lái)，這可能很難用MSCs有效逆轉(zhuǎn)。因此，基于MSCs的RILI治療的潛在臨床應(yīng)用仍有很長(zhǎng)的路要走。就RILI而言，我們?nèi)匀恍枰u(píng)估MSCs治療的安全性、最佳劑量、給藥時(shí)間和給藥途徑。此外，MSCs在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中的治療效果并不總是顯示出令人滿(mǎn)意的結(jié)果，因此還需要大量的實(shí)驗(yàn)去探討。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突