肺部微生理系统验证了新型细胞疗法在治疗急性呼吸窘迫综合征中的有效性

《Advanced Biology》：Lung Microphysiological System Validates Novel Cell Therapy for Acute Respiratory Distress Syndrome

本研究构建了肺微生理系统（MPS）模拟急性呼吸窘迫综合征（ARDS），并评估了预处理人脐带血间充质干细胞（hUCB-pMSCs）的治疗效果。通过荧光成像和单细胞RNA测序发现，hUCB-pMSCs显著激活了内皮细胞血管生成相关通路，促进 tip-like 内皮细胞形成，且其效果优于传统药物地塞米松，为ARDS治疗提供了新策略。

　　急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是一种严重的呼吸系统疾病，其特征是快速发生的炎症反应和肺部损伤，最终导致严重的低氧血症。ARDS的高死亡率和缺乏有效的治疗手段，使得探索新的治疗策略成为医学界的重要课题。目前，地塞米松是唯一在临床试验中被证实对ARDS具有疗效的药物，但其使用伴随着显著的副作用，如免疫抑制和糖耐量异常。因此，寻找一种能够有效治疗ARDS且副作用较少的替代疗法显得尤为迫切。

近年来，间充质干细胞（MSC）因其免疫调节和组织修复的特性，成为治疗ARDS和其他炎症性肺病的潜在候选者。MSC已被证明可以分泌多种抗炎细胞因子，调节免疫反应，并促进组织再生。在动物模型中的预临床研究显示，MSC治疗能够减轻炎症反应，促进肺泡修复，改善肺功能。此外，一些早期的临床试验也表明，MSC治疗在ARDS患者中是安全且可行的，尽管其疗效数据仍存在一定的不确定性。值得注意的是，最近的研究表明，经过“预处理”或“激活”的MSC在肺部炎症性疾病中表现出更高的保留率和植入效率，显示出其在治疗ARDS方面的潜力。然而，目前关于预处理MSC在ARDS中的治疗效果研究仍较为有限。

为克服传统细胞培养方法和动物模型在研究ARDS时的局限性，本研究采用了一种新型的肺微生理系统（MPS），也被称为“器官芯片”，以更真实地模拟人体肺部的动态机械和生物特性。这种模型能够更准确地反映人类肺部的生理结构和细胞间的复杂相互作用，为ARDS的研究和治疗评估提供了更接近现实的平台。在本研究中，我们利用肺MPS模型诱导急性肺损伤，并比较了预处理的人脐带血来源的间充质干细胞（hUCB-pMSCs）与地塞米松治疗的效果。为了更深入地理解MSC治疗对ARDS的影响机制，我们采用了先进的单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，以在细胞层面分析其对炎症和组织修复的调控作用。

研究结果表明，hUCB-pMSCs显著激活了内皮细胞中的血管生成相关通路，并促进了与新血管形成相关的“尖端样内皮细胞”的形成。这些发现通过荧光显微镜得到了验证，显示了hUCB-pMSCs在治疗ARDS方面的强大潜力。同时，与地塞米松治疗相比，hUCB-pMSCs在部分内皮细胞中表现出更弱的CD31表达，但通过F-actin标记显示出细胞形态的延长，这可能意味着细胞结构的修复和重塑。此外，通过渗透性评估，我们发现hUCB-pMSCs治疗组与对照组之间没有显著差异，这表明该治疗可能在一定程度上恢复了内皮细胞的屏障功能，使其接近正常状态。

在单细胞RNA测序分析中，我们发现内皮细胞表现出显著的细胞异质性。通过比较不同样本的基因表达，我们观察到在hUCB-pMSCs治疗组中，与血管生成、细胞外基质组织和内皮细胞迁移相关的通路显著富集。具体而言，与血管生成相关的基因如PGF、KDR、CD34和DLL4的表达上调，这些基因在内皮细胞的尖端样形态形成中起着关键作用。通过STRING网络分析，我们进一步揭示了这些基因在细胞间的相互作用，以及它们在ARDS相关疾病中的潜在作用。这些结果不仅支持了hUCB-pMSCs在促进血管生成方面的有效性，还表明其可能通过调控特定的细胞信号通路来改善肺部损伤。

此外，我们还对ARDS相关生物标志物进行了系统分析，并通过蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络评估了不同治疗组之间的差异。在这些生物标志物中，如IL-6、TNF-α、IL-1β和VEGF等，我们发现hUCB-pMSCs治疗组在某些指标上表现出与地塞米松相似的调节效果，而在其他方面则显示出独特的调控模式。特别是VEGF的高表达，提示了hUCB-pMSCs可能通过激活VEGFR-2通路促进血管生成，这一机制与之前的研究结果一致。

在实验方法方面，我们采用了一种高度仿生的肺MPS模型，该模型通过微流控芯片技术，模拟了人体肺部的三维结构和动态环境。我们使用正常人支气管上皮细胞（NHBE）和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）构建了该模型，并通过共培养和持续流动模拟了肺部的生理条件。随后，我们引入了LPS（脂多糖）以诱导急性肺损伤，并分别使用hUCB-pMSCs和地塞米松进行治疗。为了确保实验的准确性和可重复性，我们对细胞培养、芯片构建、药物处理和数据采集等步骤进行了严格控制，并采用多种技术手段，如免疫荧光分析、渗透性评估和scRNA-seq，对治疗效果进行了多维度的评估。

通过这些实验，我们发现hUCB-pMSCs不仅能够有效调节炎症反应，还能促进内皮细胞的修复和血管生成，这可能对ARDS的治疗具有重要意义。与地塞米松相比，hUCB-pMSCs在不产生显著副作用的情况下，表现出更全面的治疗效果。此外，我们还发现，hUCB-pMSCs在体外模型中表现出良好的细胞附着性和稳定性，为未来的临床转化研究提供了坚实的基础。

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。例如，我们使用的葡聚糖可能不足以全面评估肺部屏障功能的完整性，因此在未来的实验中，我们计划尝试不同分子量的葡聚糖以提高评估的准确性。此外，由于缺乏细胞样本的索引信息，我们在进行差异表达分析时可能面临一定的假发现风险。为了进一步验证我们的发现，我们计划开展更多的实验，包括对不同时间点的细胞状态进行分析，以更全面地了解hUCB-pMSCs的治疗动态。同时，我们也认识到，ARDS可能由多种因素引起，包括感染、创伤等，因此在未来的研究中，我们计划扩展模型，以涵盖更广泛的ARDS诱因，并结合更全面的肺部损伤和修复机制进行研究。

总的来说，本研究利用先进的微生理系统和单细胞测序技术，首次系统地评估了hUCB-pMSCs在ARDS治疗中的潜力。研究结果不仅为ARDS的治疗提供了新的思路，也为基于MSC的细胞疗法在临床转化中的应用奠定了基础。此外，我们还强调了建立更精确、可重复的体外模型在推动医学研究和治疗开发中的重要性。未来的研究将继续探索hUCB-pMSCs在不同病理条件下的治疗效果，并进一步验证其在人体中的安全性和有效性，以期为ARDS患者提供更安全、有效的治疗方案。