综述：间充质干细胞在脓毒症诱导的器官功能障碍中的作用：机制与治疗潜力

《Stem Cell Research & Therapy》：Mesenchymal stem cells in sepsis-induced organ dysfunction: mechanisms and therapeutic potential

本综述系统阐述了间充质干细胞（MSCs）在脓毒症诱导的器官功能障碍（SIOD）中的治疗潜力。文章深入分析了SIOD的复杂病理机制，包括免疫失调、氧化应激、程序性细胞死亡（PCD）和微循环障碍，并重点总结了MSCs通过其免疫调节、抗氧化、调控PCD及促进血管内皮修复等多重生物学功能干预这些病理过程的证据。综述还探讨了MSCs来源的外泌体（Exosomes）作为无细胞治疗策略的优势，并展望了其临床转化的挑战与前景，为开发基于MSCs的SIOD新疗法提供了重要理论依据。

　　

脓毒症是一种危及生命的疾病，其特征是宿主对感染产生失调反应导致的器官功能障碍，是危重患者死亡的主要原因。尽管当前治疗策略集中于早期识别、液体复苏、抗生素治疗和器官功能支持，但其效果有限，无法完全阻止器官功能障碍的进展。因此，深入研究脓毒症诱导的器官功能障碍（SIOD）的发病机制并开发更有效的防治方法至关重要。

SIOD的病理机制

SIOD的病理生理机制复杂且动态，始于病原体入侵引发的全身炎症反应。病原体相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs）激活宿主细胞的模式识别受体，释放大量炎症介质，如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-6（IL-6）。这些介质通过血液传播，引起全身炎症反应综合征。随着炎症加剧，氧化应激增强，活性氧（ROS）和活性氮的过量产生导致细胞损伤。炎症和凝血因子还会损害微循环，引起内皮细胞损伤、血栓形成和组织低灌注，导致组织缺氧和营养供应不足，进而破坏细胞功能，特别是线粒体功能障碍，引发能量代谢紊乱和细胞凋亡或坏死。此外，脓毒症导致免疫系统过度激活，随后出现免疫抑制，伴随免疫细胞功能障碍和免疫麻痹，增加继发感染风险。这些病理变化相互作用，形成恶性循环，最终导致多器官功能障碍综合征（MODS）。

不同器官因其结构和功能各异，损伤机制也各不相同。在SIOD中，肺、肾、肝、心和脑等关键器官常受累及。

在脓毒症病理过程中，肺部是最常受累的器官，可导致急性肺损伤（ALI）。全身炎症反应产生的促炎介质通过循环系统传播至肺部，激活并募集大量中性粒细胞和巨噬细胞，后者释放更多的促炎细胞因子和ROS，加剧局部炎症反应，最终损伤肺泡上皮细胞和肺毛细血管内皮细胞。肺泡上皮细胞损伤会损害其清除肺泡液体的功能，导致肺泡内液体积聚，加重肺水肿。同时，肺毛细血管内皮细胞损伤破坏血管内皮屏障，增加血管通透性，促进液体外渗至肺间质和肺泡腔，加剧通气-灌注失调。此外，肺泡上皮细胞损伤还会干扰肺表面活性物质的合成和分泌，导致肺泡塌陷和肺不张，进一步损害气体交换。在危重患者中，脓毒症诱导的ALI可发展为急性呼吸窘迫综合征（ARDS），这是一种危及生命的严重肺损伤，涉及低氧血症和肺部浸润。

肾脏是脓毒症的主要靶器官。全身炎症反应释放的炎症介质可直接损伤肾上皮细胞和血管内皮细胞。这些介质还募集并激活免疫细胞，促使其分泌更多的炎症介质、ROS和蛋白酶，进一步加重肾小管上皮细胞和内皮细胞的损伤。内皮细胞损伤激活凝血级联反应，加剧肾内血栓性微血管病，导致微循环功能障碍，其特征是肾毛细血管血流分布不均，部分区域血流淤滞，而大血管血流可能保持正常。这种情况不仅直接导致肾小管上皮损伤，还可能引起局部缺血区域和自身调节功能丧失，加重肾小管上皮细胞损伤和功能障碍。此外，在脓毒症期间，肾小管上皮细胞发生代谢重编程，转向糖酵解。这种代谢转变是一种适应性反应，旨在降低能量消耗和优先保障细胞生存，但也可能影响肾小管上皮细胞的功能和存活能力。虽然肾脏具有一定的自我修复能力，但如果损伤严重或持续存在，肾脏自我修复机制可能无法完全修复受损组织，最终导致不可逆的肾功能损害，甚至进展为慢性肾脏病或肾衰竭。

肝脏作为体内的关键免疫器官，在脓毒症中扮演重要角色。根据临床分类，脓毒症诱导的肝损伤可分为炎症性肝损伤、缺氧性肝损伤、胆汁淤积性肝损伤和继发性硬化性胆管炎。在脓毒症中，肝窦内皮细胞吞噬进入肝脏的病原体，并将其呈递给肝星状细胞、库普弗细胞和其他肝内免疫细胞。免疫细胞激活后释放TNF-α、IL-6等炎症介质，进一步将外周免疫细胞募集至肝脏，可能引发细胞因子风暴，加剧肝脏炎症，最终导致肝细胞（包括肝细胞、胆管上皮细胞和内皮细胞）损伤或死亡，造成炎症性肝损伤。内皮细胞损伤不仅导致血管张力改变和周围血管扩张，还会激活肝脏凝血系统，引起微血管充血和微血栓形成，显著降低肝脏血流灌注，导致肝脏缺血缺氧。同时，病原体和炎症因子可直接引起线粒体功能障碍，干扰肝细胞氧代谢。然而，脓毒症期间机体代谢增强，肝脏需清除大量代谢物，同时合成急性期蛋白等物质，导致耗氧量增加。若患者发生脓毒性休克，肝脏缺血缺氧将进一步加重。肝脏氧供减少和氧耗增加导致肝细胞死亡、功能障碍和缺氧性肝损伤，也称为休克肝。肝细胞和胆管上皮细胞损伤可能导致肝转运系统表达下调、转运蛋白功能改变、细胞骨架微管周围重组以及肝细胞间紧密连接破坏，影响胆汁分泌，最终导致胆汁淤积。胆汁淤积会增强氧化应激、增加细胞膜通透性并阻碍胆汁转运蛋白的再生，可能导致糖脂代谢受损、免疫反应抑制和血管扩张，加剧肝损伤。此外，胆管上皮细胞损伤还会减少保护性中和剂（如磷脂酰胆碱和碳酸氢盐）的分泌，使得胆汁酸可直接作用于受损的胆管上皮，导致上皮细胞坏死、脱落，引发胆管周围炎症反应并损害屏障功能。受损的胆道微环境为细菌定植创造了有利条件，最终导致复杂难治的感染，并进展为慢性胆管炎。长期炎症可诱导胆管纤维化改变，可能导致肝内外胆管狭窄。炎症损伤持续存在，疾病进展，最终可能发展为胆汁性肝硬化。

心脏作为泵血器官，在脓毒症和脓毒性休克的病理过程中起关键作用。脓毒症期间，全身炎症反应释放大量促炎细胞因子，如IL-1β、IL-6和TNF-α。这些促炎细胞因子进一步激活心脏内的免疫细胞，包括巨噬细胞和单核细胞，后者释放大量炎症介质，引发炎症级联反应。炎症介质直接作用于心肌细胞和内皮细胞，加剧氧化应激，导致细胞损伤和死亡。心肌细胞损伤主要与线粒体功能障碍相关。脓毒症期间，炎症反应和氧化应激可破坏线粒体形态、损伤线粒体DNA并下调线粒体蛋白编码基因的表达。与线粒体变化相关的下调基因与脓毒症中众所周知的“低T₃”综合征引起的激素改变有关。这些变化损害ATP产生，而ROS和一氧化氮（NO）对呼吸电子传递链复合物（尤其是复合物I和IV）的抑制进一步加剧了这一过程。内皮细胞损伤导致心肌微血管血栓形成和通透性增加，引起液体和白蛋白渗入组织间隙，导致微血管液体滤过率与淋巴液清除率失衡，引起心肌水肿。这种水肿不仅导致肺动脉高压和心包积液，还会显著降低能量效率，损害心脏收缩和舒张功能。此外，内皮细胞和心肌细胞损伤以及免疫细胞激活还可导致花生四烯酸和前列腺素等内源性血管活性物质产生失调，进一步加剧内皮功能障碍，恶化冠状动脉微血管功能障碍，导致心肌缺血并影响心功能。总之，脓毒症诱导的心脏损伤是多种机制协同作用的结果，涉及炎症介质释放、氧化应激、线粒体功能障碍、内皮细胞损伤和内源性血管活性物质失调。

脑功能障碍是脓毒症引起的最危险的器官功能障碍形式之一。脓毒症期间，全身炎症反应释放的促炎细胞因子可激活小胶质细胞、星形胶质细胞、周细胞和中性粒细胞，后者产生大量炎症介质和ROS，引发炎症级联反应。这些炎症介质和ROS下调紧密连接蛋白表达，改变其结构和功能，从而损害血脑屏障的完整性和功能。此外，它们还直接损伤血脑屏障的微血管内皮细胞，诱导其凋亡或坏死，加速微血栓形成并进一步加剧血脑屏障通透性。血脑屏障功能障碍破坏了中枢神经系统的相对隔离状态，使得白细胞和炎症介质更容易进入脑实质。这些物质通过受损的血脑屏障浸润中枢神经系统，产生直接毒性作用，并激活小胶质细胞和星形胶质细胞。小胶质细胞激活导致ROS、NO和谷氨酸释放，而激活的星形胶质细胞产生过量的炎症细胞因子和趋化因子，包括C-X-C motif趋化因子配体（CXCL）和C-C motif趋化因子配体（CCL）。星形胶质细胞分泌的CCL11促进小胶质细胞迁移和激活，而小胶质细胞分泌的细胞因子（IL-1α、TNF-α、C1q）诱导反应性星形胶质细胞产生促炎细胞因子和神经毒性脂质，最终导致神经炎症。神经炎症产生的大量炎症介质导致神经元功能障碍和认知损害。此外，内皮细胞损伤还可导致脑循环功能障碍，包括脑血流减少、低血压和自动调节功能受损。脑循环功能障碍可导致能量供应不足和线粒体功能障碍，引发各种神经和电生理变化，包括神经元缺氧、凋亡和脑缺血。这些复杂的病理生理机制协同作用，最终导致脑损伤。如果炎症持续存在，还可能导致长期认知功能障碍。

值得注意的是，SIOD的病理生理机制错综复杂，各器官损伤间显著相关，这种相互关联加剧了疾病进展。例如，肝功能障碍导致内毒素清除能力下降，引起循环内毒素水平升高，进而加剧全身炎症反应并引发更广泛的器官损伤。此外，肝功能不全还会影响药物代谢和凝血因子合成，增加出血和感染风险。肾损伤导致毒素和代谢废物积聚，引起尿毒症，并破坏电解质和酸碱平衡，给心脏和神经系统带来额外负担。肾衰竭还可导致液体潴留，增加肺水肿和心力衰竭的风险。器官损伤的相互关联使得脓毒症的临床管理极为复杂，也是当前治疗方式疗效不佳的原因之一。因此，亟需开发新型有效的治疗干预措施。

MSCs的生物学功能

MSCs因其在治疗多种疾病方面的潜力而受到广泛关注。这类成体干细胞具有多种优势特性，如来源广泛、强大的自我更新能力、低免疫原性以及多向分化潜能。此外，它们还具有免疫调节、归巢、抗菌、抗氧化以及调节程序性细胞死亡（PCD）等生物学特性。这些特性使MSCs能够通过多种机制促进组织修复和再生。深入了解MSCs的生物学特性对于阐明其在疾病治疗中的作用和提高治疗效果至关重要。

MSCs具有多向分化潜能，其分化能力取决于特定细胞周期调控蛋白和转录因子（如Oct4、Nanog和Sox2）的表达。此外，MSCs的分化潜能受组织来源、局部微环境和特定细胞亚型等因素影响，使其能够分化为多种细胞谱系。不同组织来源的MSCs表现出谱系分化偏好性，例如脂肪来源的MSCs倾向于分化为脂肪细胞，而滑膜来源的MSCs主要分化为软骨细胞。相反，脐带来源的MSCs表现出显著的成骨和成软骨分化潜力。微环境在指导MSCs分化中起关键作用。例如，骨形态发生蛋白-2（BMP-2）促进成骨分化，而地塞米松和胰岛素则有利于成脂分化。在特定条件下，MSCs甚至可以跨胚层转分化。例如，它们可以在脑源性神经营养因子和视黄醇作用下分化为外胚层的神经元样细胞，或在肝细胞生长因子和成纤维细胞生长因子4作用下分化为内胚层的肝细胞样细胞。

MSCs具有免疫调节功能。当暴露于炎症刺激时，MSCs可通过直接细胞接触和旁分泌信号通路影响免疫反应。通过直接接触，MSCs可以调节免疫细胞的活性、增殖和分化。具体而言，MSCs可通过表达程序性死亡配体与T细胞相互作用，抑制效应T细胞的增殖和激活，促进CD4⁺CD25⁺调节性T细胞（Treg）和CD8⁺ Treg的产生，并维持Treg细胞表面转录因子FoxP3的表达。此外，MSCs通过旁分泌途径分泌多种免疫调节因子，直接作用于免疫细胞以调节其活性和功能，从而发挥免疫调节作用。这些因子包括可溶性细胞因子（如前列腺素E₂、IL-10、转化生长因子-β）、生长因子和细胞外囊泡（EVs）。MSCs表现出双向免疫调节能力，受炎症微环境调控。在强烈炎症环境下，MSCs主要发挥免疫抑制作用，通过抑制过度的免疫反应来减轻炎症损伤。相反，在轻度炎症条件下，MSCs可以刺激免疫反应，增强免疫防御机制。这种动态调节相互作用使MSCs能够维持机体内的免疫稳态。

归巢是MSCs的重要特性。MSCs能够检测并对损伤信号作出反应，通过信号分子与其相应表面受体的相互作用，促使它们向特定部位迁移。MSCs的归巢过程可分为局部归巢和系统归巢，各自遵循不同的途径。在局部归巢中，MSCs被直接注射到靶组织中，最初粘附于细胞外基质，然后准确迁移至损伤部位。基质细胞衍生因子-1（SDF-1）等趋化因子浓度梯度有助于迁移并引导MSCs。值得注意的是，该机制不依赖于血液循环，强调了MSCs与特定组织微环境相互作用的关键作用。在系统归巢中，MSCs通过外周血管注射进入血流。首先，它们与内皮细胞表面的选择素相互作用，沿着血管内皮滚动。随后，在趋化因子激活下，MSCs粘附于内皮细胞并外渗进入组织。在组织内，MSCs粘附于细胞外基质，并沿着趋化因子梯度向损伤部位迁移。这个复杂的过程涉及MSCs在血流中的运输以及它们与血管内皮细胞和组织内细胞外基质的顺序相互作用。

MSCs表现出广谱抗菌能力，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌、分枝杆菌、病毒和寄生虫均具有抑制或杀菌作用。MSCs表面表达多种Toll样受体，用于检测微生物并对其抗原作出反应。激活后，MSCs产生并释放抗菌肽，包括组织蛋白酶LL-37、脂质运载蛋白-2、β-防御素-2和铁调素。这些肽具有直接的抗菌活性，能破坏生物膜形成并清除现有生物膜，从而防止微生物逃逸宿主免疫攻击，并增强吞噬细胞的杀菌功能。此外，MSCs分泌的细胞因子和趋化因子通过募集并提高感染部位单核/巨噬细胞和中性粒细胞的吞噬活性，促进微生物清除。MSCs的这种抗菌作用不仅减轻了微生物引起的组织和器官损伤，还限制了微生物对健康组织的危害。

MSCs可通过多种机制对抗氧化应激并减轻氧化应激诱导的组织损伤。这些机制涉及增强宿主的抗氧化防御系统、抑制炎症以及改善受损细胞的能量代谢。在炎症刺激下，MSCs不仅直接分泌超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶，还能增强宿主细胞中SOD、CAT、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽还原酶的表达和功能。这些抗氧化酶在清除细胞呼吸过程中产生的氧自由基、维持细胞氧化还原稳态方面起着至关重要的作用。此外，MSCs可以抑制中性粒细胞和单核/巨噬细胞等免疫细胞的募集和激活，导致免疫细胞中ROS生成酶（如NADPH氧化酶和髓过氧化物酶）的下调，从而减少免疫细胞呼吸爆发产生的ROS。另外，MSCs通过多种机制有助于增强受损细胞的能量代谢。例如，它们可以通过旁分泌信号恢复线粒体膜电位，改善线粒体功能。而且，MSCs利用隧道纳米管（TNTs）和EVs等细胞结构，将功能性线粒体和线粒体保护蛋白转移到受损细胞，从而增强细胞能量代谢，减少ROS生成。

MSCs还能调节程序性细胞死亡（PCD）。PCD是指由特定细胞基因调控的主动、有序的自我毁灭过程。常见的PCD包括凋亡、坏死性凋亡、焦亡、自噬和铁死亡。MSCs可通过旁分泌和直接接触两种方式调节PCD。MSCs分泌的可溶性因子和EVs可以通过调节免疫和促进血管生成来改善受损组织的微环境，从而促进受损细胞的存活，间接调节PCD。例如，MSCs旁分泌的IL-10可以抑制肝细胞焦亡。MSCs来源的EVs可以抑制焦亡。此外，MSCs可以通过间隙连接蛋白、TNTs和其他细胞间通讯结构，选择性将离子、蛋白质、多肽、微RNA（miRNAs）和线粒体转运至靶细胞，调节细胞间信号转导，直接调节PCD。例如，MSCs通过TNTs将线粒体靶向输送至缺血心肌细胞，改善心肌细胞能量代谢并抑制心肌细胞凋亡。MSCs通过连接蛋白43（Cx43）和Cx45间隙连接与靶细胞接触，调节SDF-1的分泌，抑制肝星状细胞凋亡。这些研究表明MSCs通过多种机制调节PCD，在组织修复和疾病治疗中发挥重要作用。

MSCs来源的外泌体（Exosomes, Exos）是MSCs在静息和激活状态下释放的小型细胞外囊泡。由于其选择性组装、靶向递送、高效组织修复能力、高安全性、结构稳固、易于生产和储存等优点，外泌体正日益成为MSCs疗法的可行替代方案。作为重要的信号转导介质，外泌体可以选择性包装蛋白质、脂质和miRNA，促进其有效转运至靶细胞。这一过程调节靶细胞内的基因表达、关键酶功能和信号通路，促进组织修复和再生。值得注意的是，外泌体无细胞增殖能力，这使其更易于工程化改造。通过工程化手段，可以精确操控外泌体的功能和特性。例如，使用1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺将羧酸功能化的LJM-3064适配体共价连接到外泌体表面的胺基上，已显示出治疗多发性硬化症的疗效。外泌体的治疗益处和可定制性凸显了其在MSCs治疗中的重要性。这些发现为推进对MSCs生物学功能的理解、阐明其作用机制以及推动基于外泌体的治疗干预措施的发展提供了基础框架。

总之，MSCs通过多种机制调节疾病的病理过程，发挥治疗作用。必须强调的是，MSCs的功能是相互关联、相互促进的，最终形成一个发挥其功效的功能网络。具体来说，MSCs的归巢是其发挥治疗作用（如免疫调节和抗氧化）的前提。抗氧化与免疫调节之间的密切关联构成了该功能网络的关键方面。MSCs通过减少炎症细胞浸润和免疫介质来调节免疫稳态，从而抑制炎症反应和细胞氧化应激。反之，MSCs通过抑制炎症介质和细胞因子的分泌来减轻氧化应激，从而缓解炎症。此外，MSCs的抗炎和抗氧化特性在调节PCD中起着重要作用。这些功能协同作用，共同促成MSCs在多种疾病中的治疗效果。

MSCs在SIOD中的机制研究

如上所述，SIOD的病理机制复杂，涉及多个相互关联的过程。只有采用多靶点协同干预策略，打破相互关联的机制，才能有效治疗SIOD。因此，理想的治疗策略应能够精确靶向脓毒症涉及的各种病理过程，并实现器官特异性干预。基础研究表明，MSCs作为具有调节免疫稳态、缓解氧化应激、调节PCD等多种功能的干细胞，可以在多个靶点上调节SIOD的炎症反应、氧化应激等病理过程，是治疗SIOD的有希望的候选者。

MSCs调节SIOD中的免疫稳态。凭借其免疫调节特性，MSCs可以在脓毒症期间以部位特异性方式抑制炎症因子释放并减轻炎症细胞浸润，从而缓解器官损伤。在肺部，研究表明MSCs能够减少脓毒症小鼠肺泡灌洗液中的炎症细胞数量，抑制IL-1β、IL-6和TNF-α等炎症因子的释放，从而纠正免疫失衡。MSCs可以减少脓毒症急性肺损伤期间肺中CD14⁺和CD68⁺ T细胞的数量以及IL-6的水平，从而减轻炎症反应。此外，MSCs来源的外泌体（MSC-exos）可以通过调节肺泡巨噬细胞的数量以及IL-27、IL-6、TNF-α和IL-1β的释放来减轻肺部炎症。对于肾脏，研究表明MSCs能够减少促炎细胞因子（如CXC、CCL和IL-17）的释放，并抑制中性粒细胞向肾脏的迁移，减轻炎症反应。MSCs可以抑制核因子κB（NF-κB）的表达以及IL-1和IL-6的释放，从而改善脓毒症中的肾小管功能。此外，MSC-exos可以通过减少多种促炎细胞因子（包括IL-1、IL-6和TNF-α）的释放，同时恢复抗炎细胞因子IL-10的水平来调节肾脏炎症。大量研究提供了令人信服的证据，表明MSCs可以通过抑制TNF-α、IL-6和单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）的释放，并上调抗炎因子IL-10和IL-4来纠正肝损伤中的免疫失衡。MSCs可以抑制肝脏中中性粒细胞的迁移和激活，从而减轻脓毒症引起的肝损伤。此外，MSCs还可以分泌可溶性TNF受体1，减轻肝损伤和炎症反应。另外，MSCs及其外泌体可以促进巨噬细胞向M2表型极化，从而改善肝损伤中的免疫稳态。多项研究报道，MSCs在脓毒症期间减轻心肌细胞中的炎症细胞浸润并减少炎症因子释放。例如，MSCs可以降低脓毒症小鼠血浆和心肌中TLRs的表达，抑制NF-κB信号通路，并降低IL-1β、IL-6和TNF-α等炎症因子的水平。此外，研究表明MSCs分泌富含miRNA-223的外泌体，抑制心肌炎症反应并减轻心肌损伤。同样，先前的研究也验证了MSCs对脓毒症诱导脑损伤中免疫反应的调节作用。例如，MSCs可以抑制IL-6、IL-1β和TNF-α的分泌，以及小胶质细胞的增殖和激活，从而减轻脑部炎症反应。此外，MSC-exos可以通过减少海马体中炎症细胞浸润和小胶质细胞激活来改善脓毒症诱导脑损伤中的神经炎症。总之，MSCs通过抑制炎症信号通路和分泌外泌体，可以减轻脓毒症的炎症反应并缓解器官损伤。

MSCs减轻SIOD中的氧化应激。MSCs对抗SIOD的抗氧化应激作用旨在调节抑制氧化应激和炎症的关键靶点，并改善氧化组织损伤（尤其是肺、肝和肾）。研究发现，MSCs通过上调肝细胞中核因子E2相关因子2（Nrf2）的表达水平来减少ROS的产生，同时通过抑制NF-κB信号通路来减轻脓毒症