沈鵬
(天津市第一中心醫(yī)院風(fēng)濕免疫科,天津300192)
骨髓間充質(zhì)干細胞移植對大鼠急性肺損傷的保護作用及其機制研究
沈鵬
(天津市第一中心醫(yī)院風(fēng)濕免疫科,天津300192)
目的分析骨髓間充質(zhì)干細胞(MSC)移植對脂多糖(LPS)急性肺損傷(ALI)大鼠模型中炎癥因子的影響及其作用機制。方法選取4只4個月齡的無特定病原體(SPF)級雄性C57BL/6J小鼠,用于MSC培養(yǎng)。另選取45只SPF級雄性Sprague Dawley大鼠,隨機分為5組,每組9只:MSC對照組(A組)、MSC低劑量組(B組)、MSC高劑量組(C組)、內(nèi)毒素組(D組)、正常對照組(E組)。于6、24和72h分別留取每組中3只大鼠的血液標本與肺組織,分別給予血氣分析,并測定肺組織中的腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和白細胞介素-1β(IL-1β)的含量,同時測定肺濕重/干重比值,觀察肺組織病理學(xué)變化。結(jié)果3個時間點比較,D組IL-1β、TNF-α水平及肺濕重/干重比值高于E組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);B組與C組的血氣指標、IL-1β、TNF-α水平及肺組織結(jié)構(gòu)改善優(yōu)于D組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);A組與E組各項指標比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)論MSC移植對LPS ALI大鼠有明顯保護作用,可明顯降低組織中炎癥因子水平,緩解炎癥反應(yīng),改善血氣指標,且無明顯毒副作用。
骨髓間充質(zhì)干細胞;移植;大鼠模型;急性肺損傷;炎癥因子
急性肺損傷(acute lung injury,ALI)是臨床上常見的一種危急重癥,病情嚴重者甚至?xí)霈F(xiàn)急性呼吸窘迫綜合征,病死率極高,占30%~40%[1]。該病的發(fā)病機制尚未明確,但一般認為是肺內(nèi)抗炎促炎平衡失調(diào)所致[2]。目前,臨床上對該病尚無有效治療措施,常用方法包括機械通氣、纖溶與凝血失衡改善、抗氧化、抗炎等,治療效果有限[3]。最近文獻報道,骨髓間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSC)具有再生修復(fù)、免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、抗凋亡等作用[4],且已用于治療心、腦、腎及全身炎癥反應(yīng)性疾病,并取得良好的效果[5]。但MSC在急性肺損傷中的作用及其機制尚無明確結(jié)論,需進一步驗證。本實驗在成功建立大鼠脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)ALI模型的基礎(chǔ)上,采取尾靜脈注射MSC,觀察其對脂多糖ALI大鼠白細胞介素-1β(Interleukine-1 beta,IL-1β)、人腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等炎癥因子水平及大鼠血氣指標等的影響,并探討其可能的作用機制。
1.1實驗材料
1.1.1實驗動物4只無特定病原體(specefic pathogen free,SPF)級健康C57BL/6J雄性小鼠,年齡4個月,體重20~25 g,用于骨髓間充質(zhì)干細胞培養(yǎng)。45只SPF級健康雄性Sprague Dawley大鼠,體重180~220 g。所有實驗動物由天津中醫(yī)藥大學(xué)實驗動物中心提供。
1.1.2實驗試劑IL-1β試劑盒(武漢華美生物工程有限公司),TNF-α試劑盒(武漢博士德生物科技公司),胎牛血清(美國Hyclone公司),0.02 mol/L乙二胺四乙酸+0.25%胰酶(美國Gibco公司),低糖改良Eagle培養(yǎng)基(dulbecco's modified eagle medium,DMEM)培養(yǎng)基(美國Gibco公司),內(nèi)毒素LPS(美國Sigma公司)。
1.2方法
1.2.1制備MSC根據(jù)既往文獻[6]標準進行小鼠MSC培養(yǎng)及鑒定。無菌獲取SPF級雄性C57BL/6J小鼠的脛骨、股骨,取出骨髓,制成單細胞懸液,1 200 g離心3 min,選取含100 IU/ml雙抗的低糖DMEM及10%胎牛血清對基重懸細胞予以培養(yǎng),將濃度調(diào)至1×108/ml,并在25 cm2培養(yǎng)瓶中進行接種,置于二氧化碳CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng),培養(yǎng)箱的飽和濕度控制在37℃左右,5%CO2細胞融合達80%~90%后,經(jīng)0.25%胰蛋白酶消化,獲取較為均質(zhì)的MSC,并按1∶2傳至Ⅳ代。MSC流式細胞儀分析CD34陰性(0.9%)、CD105陽性(95.3%),可見細胞純度>95%。見圖1。
圖1 流式細胞分析第Ⅳ代MSC的表型
1.2.2建立大鼠ALI模型45只SD大鼠隨機劃分5組,每組9只:MSC對照組(A組)、MSC低劑量組(B組)、MSC高劑量組(C組)、內(nèi)毒素組(D組)、正常對照組(E組)。A組MSC 1×106個/ml 0.5ml經(jīng)尾靜脈注射;B組MSC 1×106個/ml 0.5ml+LPS 5mg/kg經(jīng)尾靜脈注射;C組MSC 1×106個/ml 0.5 ml+LPS 5 mg/kg經(jīng)尾靜脈注射;D組LPS 5 mg/kg經(jīng)尾靜脈注射;E組尾靜脈注射等量生理鹽水。于造模后6、24和72 h處死大鼠,獲取標本,每個時間各組處死3只大鼠。
1.2.3收集與處理血及肺組織標本腹主動脈采血后立即予以血氣分析。取右肺上葉,在多聚甲醛中置入右肺下葉組織,觀察組織形態(tài)學(xué)。取大鼠余肺組織,生理鹽水洗凈,置于-70℃冰箱內(nèi)液氮冷凍保存。
1.2.4肺濕重/干重比值取右肺上葉,取量控制在250~300mg,吸凈肺表面血液,分析天平測濕重后,置入80℃烘烤,48h后測干重。
1.2.5肺組織形態(tài)學(xué)取右肺下葉組織,4%多聚甲醛固定,石蠟包埋、切片,蘇木精-伊紅染色法(hematoxylin-eosin staining,HE)染色,常規(guī)光鏡觀察、照相。
1.2.6測定肺組織中IL-1β和TNF-α利用酶聯(lián)免疫吸附試驗法檢測肺組織IL-1β、TNF-α含量。
1.3統(tǒng)計學(xué)方法
采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析,計量資料以均數(shù)±標準差(±s)表示,多組間比較用方差分析,方差齊則兩兩比較用獨立樣本t檢驗,P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
2.1肺組織病理學(xué)改變
光鏡觀察發(fā)現(xiàn),A組肺泡腔內(nèi)無明顯炎癥細胞浸潤與紅細胞滲出,間質(zhì)水腫不明顯,肺泡結(jié)構(gòu)完整;B組肺泡腔內(nèi)炎癥細胞、紅細胞多量滲出,部分肺泡結(jié)構(gòu)破壞;C組肺泡腔內(nèi)可見少量中性粒細胞、紅細胞浸潤,一部分肺泡間隔寬度稍微增加,大部分肺組織完整;D組肺泡腔內(nèi)出現(xiàn)大量中性粒細胞、紅細胞,可見漿液性滲出,肺組織水腫嚴重,大部分肺泡結(jié)構(gòu)破壞;E組肺泡腔內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)炎癥細胞浸潤,支氣管黏膜上皮處于完整狀態(tài),肺泡壁薄,肺組織結(jié)構(gòu)十分清晰。A組和E組肺組織病理改變一致,屬正常肺組織,故筆者只留取A組肺組織的鏡下圖。見圖2。
圖2 肺組織病理學(xué)改變(HE染色×200)
2.2肺濕重/干重比值
5組各時間肺濕重/干重比值比較,經(jīng)方差分析,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。其中兩兩結(jié)果比較,D組6、24和72 h肺濕重/干重比值高于E組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);D組6h肺濕重/干重比值與B、C組比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05);D組24和72h肺濕重/干重比值高于B、C組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);A組與E組比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表1。
表1 各組肺濕重/干重比值比較(±s)
表1 各組肺濕重/干重比值比較(±s)
注:1)與D組比較,t=12.154,P=0.004;2)與D組比較,t=3.497,P=0.046;3)與D組比較,t=9.367,P=0.036;4)與D組比較,t=19.253,P=0.002;5)與E組比較,t=23.790,P=0.001;6)與E組比較,t=39.098,P=0.000;7)與E組比較,t=13.843,P=0.002
72h濕重/干重比值A(chǔ)組3.91±0.314.12±0.284.17±0.25 B組5.11±0.344.77±0.391)4.62±0.312)C組5.04±0.304.69±0.373)4.43±0.144)D組5.32±0.235)5.19±0.166)4.98±0.157)E組4.02±0.263.96±0.224.16±0.13 F值25.37119.67635.643 P值0.0390.0460.021組別6h濕重/干重比值24h濕重/干重比值
表25 組不同時間血氣分析比較(mmHg±s)
表25 組不同時間血氣分析比較(mmHg±s)
注:1)與D組比較,t=23.445,P=0.001;2)與D組比較,t=19.716,P=0.002;3)與D組比較,t=36.643,P=0.000;4)與D組比較,t=6.308,P= 0.043;5)與D組比較,t=38.042,P=0.000;6)與E組比較,t=41.097,P=0.000;7)與E組比較,t=7.695,P=0.040;8)與E組比較,t=21.474,P=0.001;9)與E組比較,t=43.983,P=0.000;10)與E組比較,t=47.485,P=0.000;11)與E組比較,t=17.632,P=0.002
組別6h24h72h PaO2PaO2PaO2PaCO2A組92.24±2.6348.13±3.8291.59±2.0945.58±1.3293.46±2.4446.31±2.92 B組76.12±4.5953.74±3.8879.51±4.3351.16±3.9883.91±4.151)50.13±4.48 C組77.71±5.6551.23±3.942)81.76±3.623)48.46±4.414)84.04±3.7646.86±4.155)D組73.02±6.226)57.31±2.57)74.79±7.288)54.27±4.049)78.61±7.2510)53.26±3.5511)E組92.86±3.1746.31±3.3891.16±3.1744.41±1.2990.61±3.5447.26±2.63 F值15.97423.16736.79927.65033.21341.972 P值0.0490.0410.0190.0240.0220.011 PaCO2PaCO2
2.3血氣分析
5組各時間動脈血氧分壓(partial pressure of oxygen in arterial blood,PaO2)、動脈血二氧化碳分壓(partial pressure of carbon dioxide in arterial blood,PaCO2)比較,經(jīng)方差分析,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。其中兩兩比較結(jié)果,D組PaCO2高于E組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);D組6、24和72h PaCO2較C組升高,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);D組PaO2低于E組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);D組24和72 h PaO2與C組比較,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);B組72h PaO2與D組比較,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);A組PaCO2、PaO2與E組比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P> 0.05)。見表2。
2.4肺組織IL-1β、TNF-α水平
5組各時間IL-1β、TNF-α水平比較,經(jīng)方差分析,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。其中兩兩比較結(jié)果,D組較A組6、24和72h肺組織IL-1β、TNF-α水平上升,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);D組6、24和72 h肺組織IL-1β、TNF-α水平高于B、C組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05);A組6、24和72h肺組織IL-1β、TNF-α水平與E組比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。見表3。
表35 組不同時間肺組織IL-1β、TNF-α水平比較(mg/L±s)
表35 組不同時間肺組織IL-1β、TNF-α水平比較(mg/L±s)
注:t1、P1值:A組與E組比較;t2、P2值:B組與D組比較;t3、P3值:C組與D組比較;t4、P4值:D組與E組比較
組別6h24h72h TNF-αTNF-αTNF-αIL-1β A組108.01±28.0274.26±27.28114.44±25.4569.23±24.26112.34±30.5274.01±25.57 B組266.53±24.58250.15±41.78242.93±32.51235.78±39.92211.48±30.79186.81±34.88 C組233.14±42.73205.93±37.77215.31±41.34184.41±33.17178.68±36.69168.81±32.49 D組341.21±36.32309.25±37.38304.01±32.58279.26±35.72281.98±36.13231.22±34.37 E組83.73±35.9566.18±16.6187.19±29.4762.01±19.9181.28±32.6465.28±18.44 F值35.17650.28519.74828.77464.32354.379 P值0.0200.0090.0450.0230.0000.004 t1值16.4536.86236.65426.2983.45656.732 P1值0.0030.0380.0000.0010.0450.000 t2值11.73657.52745.7904.62925.90120.008 P2值0.0050.0000.0000.0470.0010.003 t3值53.21379.43035.27032.57523.42513.873 P3值0.0000.0000.0000.0000.0010.004 t4值46.46916.93157.84319.00736.65463.380 P4值0.0000.0030.0000.0030.0000.000 IL-1βIL-1β
ALI的病理特征為多形核白細胞積聚、微血管通透性增加及非心源性肺水腫[7]。其臨床表現(xiàn)主要為進行性低氧血癥與呼吸窘迫[8];而在肺部影像學(xué)上的表現(xiàn)主要為非均一性的滲出性病變[9]。關(guān)于其發(fā)病機制,現(xiàn)階段普遍認為多種致病因素可激活全身炎癥反應(yīng)或者肺組織炎癥反應(yīng),多種炎癥細胞穿過上皮細胞屏障與內(nèi)皮細胞屏障進入肺泡腔內(nèi),大量釋放細胞因子與毒素,導(dǎo)致肺氧合功能障礙、肺水腫及肺泡-毛細血管屏障通透性增加[10]。目前,有較多學(xué)者對于ALI的治療進行深入研究,主要治療措施仍是針對缺氧對癥處理[11],對于ALI的失控性或失平衡性炎癥,臨床仍缺乏行之有效的治療策略[12]。另外,中醫(yī)藥對于該病的發(fā)病機制及治療也有一定進展,從中醫(yī)角度,ALI屬于暴喘、喘脫等范疇[13],病理基礎(chǔ)為肺不主氣[14],目前某些中藥或復(fù)方制劑從抑制炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)免疫功能、抗氧化等方面著手,對該病的治療有一定療效[15]。盡管如此,該病仍是一種極危重癥,有極高的致死率,因此需要有效、可靠的治療方法來提高臨床療效。
目前,干細胞移植術(shù)對危重疑難系統(tǒng)系疾病的治療效果逐漸嶄露頭角[16],是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。干細胞是一種具有多向分化潛能的細胞,其自我增值能力強,可歸巢至組織、修復(fù)組織損傷[17]。據(jù)報道,某些干細胞可分泌細胞因子和生長因子,該因子也可促進組織修復(fù)[18]?,F(xiàn)階段臨床上及科研中常用的干細胞有兩種,即胚胎干細胞和成體干細胞,但前者因倫理因素及致瘤風(fēng)險使其應(yīng)用受到限制[19],成體干細胞因不受限制則有廣泛的應(yīng)用前景。MSC屬于干細胞的一種,主要組織相容性復(fù)合體(major histocompatibility complex,MHC)Ⅱ蛋白、MHCⅠ蛋白表達低,故其免疫原性低,異體干細胞移植耐受性高[20]。目前已有較多關(guān)于MSC的臨床應(yīng)用研究,如自身免疫病[21]、心臟疾病、骨骼疾病等[22]。
在體內(nèi)或體外特定條件誘導(dǎo)下,MSC可向支氣管上皮和肺泡上皮細胞分化[23]。最新研究發(fā)現(xiàn),MSC對急性肺損傷具有修復(fù)功效,可以有效降低髓過氧化酶活性、肺濕干重比值[24]。張峰等[25]探討骨髓間充質(zhì)干細胞移植對內(nèi)毒素誘發(fā)急性肺損傷模型兔的保護作用,發(fā)現(xiàn)與對照組比較,MSC移植組家兔支氣管肺泡灌洗液中性粒細胞數(shù)目、蛋白含量明顯升高,濕干比明顯降低,且病理變化較輕。鄭凱等[26]建立急性放射性肺損傷大鼠模型,觀察MSC移植對其治療作用,結(jié)果表明,骨髓間充質(zhì)干細胞可以遷移到放射性損傷的肺組織,促進放射性肺損傷組織的修復(fù),其治療機制可能與MSC抑制炎癥反應(yīng)、抗氧化、減輕肺組織纖維化等有關(guān)。本研究中,MSC移植組6h肺濕重/干重比值與對照組比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義;移植后24和72h肺濕重/干重比值下降,表示MSC移植有利于降低肺泡-毛細血管膜通透性,可抑制肺泡、肺間質(zhì)中血漿滲透,有利于緩解肺水腫。除此之外,血氣分析中,MSC高劑量組PaO2、PaCO2改善情況明顯優(yōu)于對照組,間接表明干細胞移植有利于緩解肺水腫。6h時MSC的治療作用不明顯,可能是因為作用時間短,其修復(fù)能力未顯現(xiàn)。相關(guān)研究報道中提出,干細胞移植可緩解肺水腫,主要在于干細胞分泌血管生成素-1可抑制肌動蛋白結(jié)構(gòu)破壞,但是現(xiàn)階段具體機制尚未明確。另外,本研究結(jié)果顯示,與對照組比較,MSC高劑量組6、24和72 h肺組織IL-1β、TNF-α水平降低,表明MSC移植有利于緩解急性肺損傷炎癥反應(yīng)。A組與E組(即MSC對照組和正常對照組)各個指標比較,差異無統(tǒng)計學(xué)意義,表明高劑量干細胞的毒副作用不明顯。
綜上所述,MSC移植對大鼠LPS急性肺損傷有一定的治療作用,有利于減輕炎癥反應(yīng),無明顯毒副反應(yīng)。為臨床利用MSC治療ALI提供實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù),相信隨著研究的不斷深入,MSC終將應(yīng)用于臨床,成為治療ALI的有效手段。
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(童穎丹編輯)
Protective effect of bone marrow mesenchymal stem cell transplantation on acute lung injury in rats and its mechanism
Peng Shen
(Department of Rheumatology,the First Central Hospital of Tianjin,Tianjin 300192,China)
Objective To analyze the impact of bone marrow mesenchymal stem cell(MSC)transplantation on inflammatory factors of rat model with lipopolysaccharide(LPS)-induced acute lung injury(ALI)and the mechanism.Methods Four 4-month SPF male C57BL/6J mice were recruited for bone marrow MSC.In addition,45 SPF male SD rats were randomly divided into five groups as follows:MSC control group(group A),low-dose MSC group(group B),high-dose MSC group(group C),endotoxin group(group D)and normal control group(group E).At 6,24 and 72 h,blood samples and lung tissue of three rats from each group were collected.Blood gas analysis,TNF-α and IL-1β in lung tissue,and lung wet weight/dry weight were detected.Pathological changes of lung tissue were observed.Results At 6,24 and 72 h,TNF-α and IL-1β levels and lung wet weight/dry weight ratio of the group D were significantly higher than those of the group E(P<0.05);blood gas indexes,TNF-α and IL-1β levels and the improvement of lung structure of the groups B and C were significantly superior to those of the group D(P<0.05);but there was no significant difference in any of the above indexes between the group A and the group E(P>0.05).Conclusions MSC transplantation has significantly protective effects on acute lung injury in rats,can significantly reduce the tissue levels of inflammatory factors,relieve inflammation,improve blood indicators,and has no obvious side effects.
mesenchymal stem cell;transplant;rat;acute lung injury;inflammatory cytokine
R 563
A
10.3969/j.issn.1005-8982.2016.17.003
1005-8982(2016)17-0013-06
2016-04-07