《Stem Cell Research & Therapy》：Harnessing stem cell therapeutics in LPS-induced animal models: mechanisms, efficacies, and future directions
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这篇综述聚焦脂多糖（LPS）诱导的动物模型，探讨干细胞疗法在此类模型中的作用机制、治疗效果。LPS 常被用于构建炎症疾病模型，而间充质干细胞（MSCs）凭借多种特性备受关注。文章综合分析其在多种疾病模型中的应用，为后续研究提供新思路。
### 引言
炎症相关疾病死亡率高，成为全球医学难题。脂多糖（LPS）作为炎症诱导剂，能引发机体炎症反应，常被用于构建动物炎症模型，以研究相关疾病机制和评估药物疗效，但目前针对炎症相关疾病仍缺乏有效治疗方法。间充质干细胞（MSCs）作为一种多能干细胞，具有多向分化、免疫调节、抗炎等特性，在多种疾病治疗中展现出潜力，成为研究热点。本文旨在综述 LPS 诱导动物模型的相关研究进展，探讨干细胞疗法在此类模型中的应用前景。
LPS 诱导动物模型
- LPS 概述：炎症反应是机体免疫系统与受损组织的相互作用，多种刺激可引发。革兰氏阴性菌的主要致病成分 LPS，是重要的炎症诱导剂。在构建动物炎症模型的方法中，盲肠结扎穿孔法（CLP）和 LPS 诱导法较为常见。CLP 法通过手术使肠道细菌进入腹腔引发感染，模拟内源性细菌移位和感染过程；LPS 诱导法则是向动物体内注射内毒素，操作简单、可重复性强，能快速诱导全身炎症反应，常被用于建立脓毒症及相关器官衰竭模型，还可诱导如宫内感染、早产、子痫前期等罕见疾病模型，被视为建立急性炎症模型的 “金标准”。
- LPS 作用的分子和细胞机制：细菌入侵人体释放 LPS 后，LPS 先与 LPS 结合蛋白（LBP）结合，再被转运至免疫细胞表面，与膜蛋白 CD14 结合，随后转移至 Toll 样受体 4（TLR4）和髓样分化蛋白 2（MD2）形成复合物。该复合物激活髓样分化因子 88（MyD88）等信号分子，经一系列生化过程激活转录因子核因子 κB（NF-κB），使其进入细胞核与特定区域结合，促进多种细胞因子和可溶性介质的基因表达。同时，下游的丝裂原活化蛋白激酶也被激活，进一步调节炎症反应。在正常情况下，促炎因子和抗炎因子处于动态平衡，但当免疫炎症反应失控，就会引发炎症细胞因子风暴，导致内皮细胞损伤，出现发热、弥散性血管内凝血、多器官功能障碍甚至休克、器官衰竭等临床症状。
干细胞：类型、来源及治疗潜力
干细胞具有自我更新和多向分化能力，根据分化潜能可分为多能、全能和单能干细胞，主要包括成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞（iPSCs）。然而，胚胎干细胞存在免疫排斥和伦理问题，iPSCs 可能出现遗传不稳定，成体干细胞虽有应用前景，但组织中含量低，提取困难。MSCs 作为成体干细胞的一种，于 20 世纪 70 年代被发现，其组织来源广泛，包括骨髓、脐带血、胎盘、脂肪组织等。MSCs 不仅具有多向分化潜能，能在特定条件下分化为神经元、心肌细胞等多种细胞类型，而且免疫原性低，易于分离、培养和扩增，还具有强大的抗炎和免疫调节特性，在组织修复和再生中发挥重要作用。众多临床试验表明，MSCs 输注安全性高，为多种疾病的治疗带来希望。
干细胞疗法在 LPS 诱导动物模型中的机制和疗效
- 作用机制：MSCs 的治疗效果受局部微环境影响，其主要作用机制包括旁分泌功能。MSCs 能分泌多种可溶性因子，如细胞因子、趋化因子和生长因子，发挥抗纤维化、促血管生成、抗凋亡和抗氧化等作用。同时，MSCs 可通过细胞间接触发挥免疫抑制作用，调节免疫反应，减少过度炎症，防止免疫抑制，恢复免疫平衡。此外，MSCs 还能通过隧道纳米管将线粒体转移至受损细胞，在组织修复过程中，释放包含蛋白质、mRNA 和 microRNA 的细胞外囊泡（包括外泌体和微囊泡），促进细胞增殖，减轻炎症。MSCs 还具有抗菌能力，可分泌抗菌肽或间接增强巨噬细胞和中性粒细胞的吞噬活性。
- 在多种疾病模型中的疗效
- 脓毒症模型：脓毒症是一种严重的全身性炎症反应综合征，可导致休克和多器官功能障碍，死亡率高。目前临床治疗主要为对症和支持治疗。干细胞疗法旨在减轻炎症反应、增强免疫功能和改善组织修复能力，在 LPS 诱导的脓毒症模型中展现出一定疗效。多项临床前研究表明，MSCs 可抑制全身炎症反应综合征（SIRS）和器官损伤，降低细胞凋亡和多器官衰竭发生率，调节促炎和抗炎因子水平。例如，共注射内皮祖细胞（EPCs）和 MSCs 可调节 TLR4/MyD88 信号通路，减轻炎症反应；外泌体中的 KCNQ1OT1 可通过调节 miR-154-3p/RNF19A 抑制脓毒症。
- 呼吸系统疾病模型：急性肺损伤（ALI）和急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是常见的呼吸系统疾病，LPS 是导致患者死亡的重要原因。MSCs 可通过多种途径缓解肺损伤，如 MSC 来源的外泌体可递送 miR-23a-3p 和 miR-182-5p，抑制 NF-κB 和 Hedgehog 通路，逆转 LPS 诱导的肺损伤和纤维化；还能递送 miR130b-3p 减轻小鼠 ALI，通过转移线粒体成分恢复肺泡巨噬细胞稳态。此外，MSCs 释放的细胞因子可保护肺细胞，调节炎症细胞功能，激活相关信号通路，改善呼吸功能。
- 消化系统疾病模型：肝衰竭的主要病理特征是肝脏和全身的炎症及免疫紊乱，LPS 可诱导肝细胞凋亡和坏死。MSC 移植为急性肝衰竭（ALF）的治疗提供了新策略，研究发现，MSCs 可降低肝损伤生物标志物水平，缺氧预处理的人羊膜间充质干细胞（hA-MSC）可通过 HGF/c-Met 信号轴促进 ALF 的修复。急性胰腺炎（AP）是胰腺酶异常激活导致的疾病，伴有局部炎症反应，严重时可引起器官功能障碍。脂肪来源的 MSCs 分泌的 TSG-6 可通过抑制内质网（ER）应激和 NF-κB 信号通路，保护胰腺腺泡细胞。肠道屏障功能障碍常见于危重症患者，表现为肠道黏膜损伤、通透性增加和菌群失调，导致细菌和内毒素移位，加重全身炎症和多器官功能障碍。研究表明，注射羊水干细胞可通过 COX-2 依赖机制增强肠道修复，改善小鼠坏死性小肠结肠炎的生存状况和肠道功能。
- 泌尿系统疾病模型：间质性膀胱炎（IC）是一种慢性炎症性疾病，病因不明，缺乏有效治疗方法。研究显示，在 LPS 诱导的 IC 大鼠模型中，多能 MSCs 和 N - 乙酰半胱氨酸联合治疗可改善排尿功能，促进尿路上皮细胞再生，减轻组织炎症；尿液来源的干细胞可通过抑制氧化应激、炎症反应和细胞凋亡，恢复膀胱功能。急性肾损伤（AKI）是常见的临床综合征，以肾功能急剧下降为特征，目前缺乏有效治疗手段。在 LPS 诱导的 AKI 小鼠模型中，MSC 分泌物可减轻炎症、坏死等症状；脂肪来源的干细胞外泌体可通过靶向 miR-16-5p，抑制细胞凋亡、炎症和有氧糖酵解，改善肾功能；EPCs 和 MSCs 联合治疗可增强肾脏髓质血流，促进巨噬细胞极化，改善肾脏和血管功能。
- 神经系统疾病模型：神经炎症主要由脑内胶质细胞（星形胶质细胞和小胶质细胞）的慢性激活引起，是多种神经退行性疾病的特征。LPS 可引发外周和中枢神经系统的炎症反应，激活脑内小胶质细胞，产生促炎细胞因子，导致神经炎症，进而引发如抑郁、认知障碍等神经精神疾病。MSCs 可通过释放生物活性分子调节炎症和免疫反应，保护中枢神经系统（CNS）。研究发现，在 LPS 诱导的抑郁模型中，人脐带血管周围细胞（HUCPVC）可降低脑内促炎细胞因子水平，改善抑郁样行为；在帕金森病模型中，过表达胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）的骨髓来源 MSCs 可发挥神经保护作用；在阿尔茨海默病模型中，研究人员探讨了 MSC 来源的微囊泡和 H2S 对神经炎症和认知功能的调节作用。
- 心血管疾病模型：心肌损伤是 LPS 诱导的常见心血管疾病，LPS 刺激巨噬细胞和单核细胞表面的 TLRs，促使其分泌多种促炎细胞因子，如 TNF-α、IL-1β、IL-6 等，这些细胞因子可导致心肌功能障碍，甚至引发心力衰竭。MSCs 可通过调节巨噬细胞受体（TLRs）的表达和抑制 NF-κB 信号通路，调节全身和局部细胞因子的产生，减轻心肌损伤。例如，骨髓来源的 MSCs 可激活 mTORC2-Akt 信号通路，阻断 mTORC1-p70S6K 信号通路，调节炎症细胞因子表达；MSC 来源的外泌体可促进巨噬细胞向 M2 表型极化，减轻炎症，保护心脏功能，还可通过调节 miRNA，减轻钙超载，减少线粒体损伤。
- 代谢疾病模型：2 型糖尿病（T2D）的关键特征是胰岛素抵抗，越来越多证据表明，胰岛素抵抗与慢性全身炎症密切相关，在 T2D 发病机制中起重要作用。研究发现，长期低剂量 LPS 刺激可使大鼠血糖水平升高，建立 T2D 模型。MSCs 可缓解胰岛素抵抗，在体外模型中，研究人员探究了人脐带间充质干细胞（hUC-MSCs）在棕榈酸和 LPS 诱导的胰岛素抵抗中的抗炎机制。虽然目前尚无 LPS 诱导糖尿病体内模型的干细胞治疗研究，但推测干细胞除直接分化为胰岛 β 细胞外，还可分泌多种促胰岛素分泌因子，抑制自身免疫反应，促进代谢，提高胰岛素敏感性，改善 T2D 病情。
- 其他疾病模型：LPS 在自身免疫性疾病的发生发展中也起作用。类风湿关节炎（RA）是一种全身性自身免疫性疾病，研究表明，LPS 诱导的局部炎症反应可能参与 RA 的发病过程，但目前尚无针对 LPS 诱导 RA 的干细胞治疗研究。在体外实验中，人工细胞来源的囊泡与 MSC 来源的外泌体联合姜黄素（Curc）可显著降低炎症介质表达。强直性脊柱炎（AS）是一种慢性进行性炎症性关节炎，主要影响脊柱、骶髂关节和外周关节。有研究表明，革兰氏阴性菌感染与 AS 发病相关，LPS 诱导的附着点炎是 AS 动物模型的重要特征，但目前关于干细胞治疗 LPS 诱导 AS 模型的报道较少。葡萄膜炎是一种常见的眼部炎症性疾病，可导致白内障、青光眼甚至失明。内毒素诱导的葡萄膜炎（EIU）是常用的动物模型，研究发现，腹腔注射人 MSCs 可抑制 Th1/Th17 免疫反应，改善自身免疫性葡萄膜炎；人宫颈干细胞（CM-hUCESCs）可降低眼部炎症。此外，LPS 可能诱导白内障模型，目前尚无相关干细胞治疗报道。LPS 还可刺激人牙周膜细胞释放基质金属蛋白酶 2，激活 NF-κB，促进牙周炎进展，研究表明，牙龈 MSCs 来源的外泌体（GMSC-Exos）可调节牙周膜干细胞（PDLSCs）的成骨分化，抑制炎症反应。
挑战与未来方向
MSCs 自发现以来，在组织工程领域取得了显著进展，在再生医学中前景广阔。然而，干细胞疗法仍面临诸多挑战，如 MSCs 的恶性转化潜能限制了其临床应用，冻存 MSCs 的低活力以及供体年龄对 MSCs 增殖和分化潜能的影响等，不同组织来源的 MSCs 在分化潜能、表面标志物和转录水平上存在差异，也给临床转化带来困难。为提高干细胞疗法的疗效，研究人员提出了多种策略，如利用基因工程修饰干细胞基因，可克服单独使用干细胞或基因的部分局限性，扩大 MSCs 的临床应用范围；将 MSCs 与其他疗法（如基因疗法、药物治疗）联合使用，也可提高治疗效果。未来研究应聚焦于优化新型干细胞疗法的治疗应用，深入探究其作用机制、递送策略以及个性化治疗方法的潜力。近年来，嗅黏膜间充质干细胞（OM-MSCs）因其免疫调节和神经再生特性受到关注，研究发现其来源的外泌体可通过 lncRNA RMRP/EIF4A3/SIRT1 通路抑制小胶质细胞焦亡，减轻神经炎症，促进脊髓损伤修复，为神经炎症和神经退行性疾病的治疗提供了新方向。随着精准医学的发展，根据患者个体炎症特征设计个性化的干细胞治疗方案，有望提高治疗效果，减少副作用，未来应进一步探索如何实现这一目标。
结论
LPS 作为强效炎症诱导剂，广泛应用于急性炎症和多种疾病模型的建立，在医学研究中具有重要价值，为炎症及相关疾病的发病机制研究和治疗提供了有力工具。干细胞在 LPS 诱导的动物模型中展现出巨大的治疗潜力，通过旁分泌、线粒体转移、细胞外囊泡分泌等多种方式发挥抗炎、免疫调节、组织修复等作用，促进细胞存活，恢复免疫平衡。然而，目前仍需进一步研究克服干细胞疗法面临的挑战，充分挖掘其治疗潜能，为人类疾病的治疗带来新的突破和希望。
