专家述评 | 干细胞及外泌体——肺部疾病治疗的新希望

近年来，干细胞及干细胞来源的外泌体在肺部疾病治疗研究中展现出巨大潜力，为肺部疾病的治疗开辟了全新的研究方向与治疗思路。干细胞具备自我更新和多向分化潜能，外泌体能够携带蛋白质、核酸等生物活性分子并在细胞间传递信息。本文综述了将干细胞及外泌体应用于肺部疾病治疗的研究进展，并对这种治疗手段的发展前景进行展望。

慢性阻塞性肺疾病 （chronic obstructive pulmonary disease, COPD）、哮喘、支气管扩张症、特发性肺纤维化（idiopathic pulmonary fibrosis, IPF）、急 性 呼 吸 窘 迫 综 合 征 （acute respiratory distress syndrome, ARDS） 等具有高发病率的呼吸系统疾病严重威胁人们的生命健康，造成患者生活质量严重下降和死亡率的上升[1-2]。目前终末期肺病的唯一治疗手段是肺移植，但肺移植往往严重受限于供体器官的来源与质量。此外，肺移植术后的5年生存率仅约50%，并且存在终身免疫抑制、感染等诸多问题[3]。因此，开发新型呼吸系统疾病治疗手段和策略已成为亟待解决的关键问题。近数十年间，再生医学和干细胞研究领域快速发展，为攻克这一难题开辟了新的路径。

干细胞是一类具有自我更新能力和多向分化潜能的细胞，可分为胚胎干细胞、成体干细胞和诱导多能干细胞。干细胞在呼吸系统疾病治疗中具有重要的应用价值，通过分化为上皮细胞、血管内皮细胞等修复受损肺组织，也可分泌细胞因子、调节免疫反应来抑制过度炎症和减轻纤维化。 

胞外囊泡是细胞释放出的细胞间传递“信使”，通过传递脂质、蛋白质和生物活性 RNA 发挥作用。胞外囊泡分为 3 个亚型：外泌体、微囊泡和凋亡小体[4]。其中，外泌体在调节免疫系统以及细胞通讯中发挥着重要作用[5]。外泌体可作为细胞疗法的新型替代方案，产生与来源细胞相似的生物学效应，同时具备更好的安全性、生物相容性和可储存性[6]，已经成为针对肺部疾病具有广阔应用前景的生物治疗载体。

MSC是多能非造血成体干细胞，已在多种肺部疾病临床前动物模型中展现出显著的治疗效果，包括细菌性肺部感染、急性肺损伤 （acute lung injury,ALI）、ARDS、肺纤维化、COPD、肺动脉高压、支气管肺发育不良、哮喘等。MSC对ALI/ ARDS的治疗作用已得到了广泛认可[7]。例如，体外研究[8-9]结果显示 MSC 能够降低细菌感染引发的过度炎症反应，恢复肺泡功能，降低肺组织中细菌载荷。Zhang 等[10]发现 MSC 可调控胆碱能抗炎通路介导的神经免疫来缓解 ARDS。此外，MSC 通过抑制肺部的免疫反应进而减轻肺纤维化[11-12]。在支气管肺发育不良的小鼠模型中，MSC可能通过刺激内源性肺特异性干细胞 （如支气管肺泡干细胞） 促进肺修复[13]。 

目前，MSC用于治疗肺部疾病的临床试验已逐步开展。Wilson 等[14]、Matthay 等[15]进行的临床试验（ NCT01775774， NCT02097641） 在 ARDS 患者中验证了 MSC 输注的安全性和耐受性。另外，重症 COVID-19肺炎患者对静脉注射 MSC 反应良好[16-17]。MSC 能够迅速改善患者的呼吸窘迫症状并降低炎症生物标志物水平，但对于脓毒症或多器官功能衰竭患者效果不佳。除 ARDS 之外，一项静脉注射异体MSC治疗中重度COPD患者的多中心随机对照试验 （NCT00683722） 结果显示治疗组的系统性炎症得到一定控制[18]。可以预见，未来将会有更多临床试验开展，加快干细胞疗法的进展和优化。

MSC 外泌体具有与 MSC 类似的免疫调控和抗炎活性，能够促进巨噬细胞向 M2 表型极化，抑制炎症细胞因子，减少急性肺损伤。MSC外泌体能够通过诱导自噬对脂多糖诱导的 ALI 发挥抗炎和治疗作用[19]；可通过促血管生成、减少细胞凋亡以及抑制过度炎症，改善高氧肺损伤下的受损肺泡功能[20]；调节单核细胞表型改善肺纤维化[21]；还能通过提高细胞内三磷酸腺苷水平来恢复Ⅱ型肺泡上皮细胞的代谢[22]。在缺氧诱导的肺动脉高压小鼠模型中，注射MSC外泌体可抑制促炎介质的产生，改善肺动脉高压、心室肥大和肺血管重塑[23]。此外，针对COPD，脐带MSC衍生的胞外囊泡能够减轻肺泡隔增厚并减少杯状细胞数量，最终有效缓解大鼠COPD模型的肺部炎症[24]。 

基于临床前研究的显著效果，研究者们已开展了 MSC 外泌体用于肺病治疗的临床试验。Zamanian等[25]开展的一项双盲随机对照临床试验，结果显示使用人胎盘MSC来源的细胞外囊泡进行治疗可显著降低 COVID-19 肺炎相关 ARDS 患者的死亡率。另有多项临床研究[26-28]也同样证实了MSC 外泌体对重症 COVID-19 感染患者的治疗作用。截至目前，外泌体治疗肺部疾病的临床试验大多针对 ARDS 和 COVID-19 感染等疾病，关于其他慢性肺病的临床研究仍有待开展。

除MSC外，其他干细胞应用于肺部疾病治疗也有报道。Wu等[29]制备出了临床级人类胚胎干细胞来源的免疫基质调节细胞，该种细胞避免了胚胎干细胞的伦理争议以及 MSC 亚群的异质性问题，并表现出更高的免疫调节能力和抗纤维化活性。在治疗肺损伤和肺纤维化方面，免疫基质调节细胞在小鼠和猴体内的疗效和安全性均优于原代脐带来源MSC和吡非尼酮。人胚胎干细胞外泌体还能够显著减轻早期 IPF 小鼠的肺部炎症，抑制胶原蛋白沉积，并促进肺泡结构的修复[30]。 

研究[31]表明，小鼠静脉注射无 c-Myc 诱导多能干细胞可减轻博来霉素诱导的肺纤维化，其主要作用包括减轻早期炎症，抑制促炎和促纤维化细胞因子的同时促进受损肺部抗纤维化趋化因子的产生。另一种应用诱导多能干细胞的方法是通过小鼠或人类诱导多能干细胞体外分化获得衍生细胞系进行体内移植，达到治疗效果[32]。 

本团队针对肺部持续性细菌感染和耐药问题，对成年小鼠远端气道干细胞进行基因改造，使其高表达天然抗菌肽 LL-37。移植细胞后有效提升了小鼠肺的抗细菌感染能力，同时促进受损肺组织的再生[33]。这种基因改造手段在未来有希望进一步拓展到临床应用。

尽管MSC对多种肺部疾病的治疗作用已被广泛认可，但其实际应用还存在很多亟待解决的问题与挑战。首先，MSC寿命有限，且同一来源的MSC 的不同亚群也表现出明显的异质性。在 IPF等纤维化疾病中，骨髓MSC部分亚群可能会加剧纤维化，且在纤维化晚期注射后易转化为促纤维化表型，因此对已患病者疗效不佳[34-35]。一项临床试验（NCT01919827）发现注射MSC的13例轻中度 IPF 患者中有 8 例出现了疾病临床进展或功能显著下降[36]。不过，近年研究[12]显示纤维化晚期注入MSC仍有治疗潜力，在晚期干预时，羊膜MSC较骨髓MSC更能减轻肺纤维化[37]。可见，MSC的治疗效果与给药时机密切相关。

MSC 的免疫调节具体机制需要进一步探究。肺部复杂的免疫微环境在疾病的发生发展过程中扮演重要角色。不同的研究发现MSC在不同动物模型和人类疾病中会产生不同的效应物，而且不同效应物之间的相互作用和功能差异仍不明确[38]。因此，未来需要新的深度分析技术和平台来研究MSC在体内的具体作用机制。

此外，治疗过程中MSC所引起的免疫反应不可忽视。虽然目前普遍观点是同种异体 MSC 在治疗中可与自体 MSC 发挥同等疗效，且不会引发特异性免疫反应。但也有研究[39]对此提出了异议，认为现有研究在实验物种、疾病模型、MSC给药途径、细胞剂量以及所采用免疫测定的严格程度等方面存在较大差异，需要更精确地研究同种异体MSC引发的抗供体免疫反应的范围及其临床意义。

外泌体的临床应用也面临诸多挑战。首先，高纯度的外泌体难以大规模制备。细胞数量、培养基体积、外泌体分离方法和时间等都会影响外泌体的数量和质量。因此，优化培养方法，严格评估不同外泌体分离方法的利弊，规范和控制生产程序是提升外泌体产量和质量的先决条件。其次，外泌体的临床安全性和有效性还需更进一步的验证。需要综合使用多种方法 （包括电镜和全面的RNA、脂质和蛋白质分析等） 对外泌体进行更严格的表征，以充分探索其生物学特性并评估潜在风险[4]。

未来干细胞及外泌体疗法的发展方向可以重点关注以下几个方面。一方面，可利用生物材料，例如小分子包裹微粒、细胞外基质支架等提升MSC等干细胞的递送效率。这些材料的优势在于能为MSC的粘附和存活提供较长时间的支持，同时保留细胞分泌的功能成分，从而延长临床治疗的有效时间[38]。另一方面，鉴于目前MSC的生产规模难以完全满足临床试验的要求，研究者们[40]又提出了另一种方法——诱导 MSC 增强细胞功能，通过使用促炎因子、缺氧、生物材料等诱导MSC，达到提高MSC的功能、存活率和疗效的目的。 

随着生物技术的不断发展，通过用病毒或非病毒载体转染干细胞，对细胞进行基因工程改造，使其产生特定细胞因子或其他产物，能够进一步优化干细胞、外泌体的疗效。已有研究[41]证明工程化的MSC能够成功地在动物模型中表达目标治疗肽和蛋白质。此外，利用 CRISPR/Cas9 技术，可以更高效、更精准地对干细胞进行基因改造，包括基因敲入、敲除、激活或沉默等。 

外泌体也可作为一种优异的药物递送载体，可通过对干细胞进行体外修饰后将各种活性分子释放进外泌体中进行递送[6]。在揭示外泌体治疗的精确作用机制或关键治疗因素后，通过基因编辑技术，设计并制备工程化细胞外囊泡[42]。可以预见，工程化外泌体是富有前景的新型临床治疗策略。为了外泌体治疗方法的临床转化，外泌体的生产应当实现进一步优化和标准化，其潜在机制也需要深入研究。

干细胞及外泌体在肺部疾病治疗中具有巨大的应用潜力。干细胞通过免疫调节、分化修复和抗氧化作用等机制，能够促进肺部组织的再生；外泌体则通过携带生物活性分子，调节免疫反应、促进组织修复，成为新兴的治疗工具。两者的应用及联合方案为肺部疾病治疗提供了新的方向。尽管目前干细胞及外泌体疗法仍面临一些伦理、技术和临床应用方面的挑战，但随着对其具体作用机制研究的深入，大规模多中心临床试验的广泛开展，这种方式有望成为多种呼吸系统疾病的治疗新选择。