Заболевания респираторной системы являются актуальной проблемой современного здравоохранения [2]. За последние 20 лет показатель заболеваемости по данной группе нозологий существенно вырос. Это связывают с загрязнением атмосферы [36], отходами промышленного производства и повышением количества курящего населения [8]. Хроническая обструктивная болезнь лёгких (ХОБЛ) привлекает своё внимание в связи с высоким уровнем встречаемости среди населения, поздней диагностикой и низкой эффективностью имеющихся видов лечения [38]. ХОБЛ характеризуется сужением мелких бронхов и повреждением альвеол, связанных с атипичным ответом на патогенные факторы. Результатом этого является дыхательная недостаточность, которая приводит к значительному снижению качества жизни пациентов с ХОБЛ [45]. По данным ВОЗ, ХОБЛ занимает четвёртое место в структуре причин смертности за 2015 год, с ежегодной летальностью до 3 млн человек [48]. Наилучшей стратегией предупреждения развития ХОБЛ является отказ от курения [37], так как курение и частицы, поступающие с табачным дымом, вызывают активацию таких патогенных процессов, как хроническое воспаление, нарушение работы антиоксидантной системы, окислительный стресс и запуск апоптоза [4, 16, 42]. В том случае, если заболевание уже развилось, то используются следующие терапевтические методы: лекарственные препараты [49, 53], хирургические вмешательства [31] и кислородная терапия [43]. Ряд исследований показывает, что данные подходы к лечению недостаточно эффективны и не ведут к полному выздоровлению, а только облегчают симптомы и замедляют прогрессирование болезни [7, 34, 48]. В связи с этим, активно ведётся разработка новых методов лечения ХОБЛ, основанных на применении таргетных лекарственных молекул и клеточной терапии, в частности, мезенхимальных стволовых клеток (МСК). Эксперименты по применению МСК для лечения хронических заболеваний бронхолёгочной системы показывают перспективность терапевтического использования МСК в терапии ХОБЛ [12, 41, 46, 52]. МСК – плюрипотентные стволовые клетки, содержащиеся, главным образом, в костном мозге, способные к дифференцировке в различные ткани. МСК выступают в качестве потенциального терапевтического агента при ХОБЛ в связи со своими биологическими свойствами и особенностями выделения: 1) доступность и простота получения из биологических тканей [21, 26, 40]; 2) выраженный противовоспалительный эффект [23]; 3) ускорение регенерации [29]. МСК обладают эффективными иммуносупрессивными свойствами, что позволяет использовать их в качестве как ауто-, так и аллогенного трансплантата [30]. В данном обзоре будут рассмотрены возможности использования и механизмы терапевтического действия МСК при лечении ХОБЛ.
Патогенез ХОБЛ
ХОБЛ является хроническим воспалительным заболеванием бронхолёгочной системы, характеризующимся специфическими морфологическими и патогенетическими изменениями. К основным патоморфологическим признакам ХОБЛ относят деструкцию бронхов малого калибра, хронический бронхит, эмфизему, расширение и дезорганизация альвеол. Данные проявления являются результатом таких патогенетических факторов, как хроническое воспаление, повышенный оксидативный стресс, дисбаланс в системе протеаз-антипротеаз [6].
Из перечисленных факторов, наибольший патогенетический вес имеет хронический воспалительный процесс в паренхиме лёгкого. Воспаление при ХОБЛ выглядит как каскад непрерывно действующих патогенных факторов, например, сигаретного дыма, которые усиливают воспалительный ответ. В небольшом количестве случаев ХОБЛ возникает и у некурящих людей, природа воспалительного ответа в подобных случаях остаётся неясной. Для воспаления, ассоциированного с ХОБЛ, характерен определённый клеточный состав иммунного инфильтрата в тканях: нейтрофилы, макрофаги, а также повышенное число CD8+ лимфоцитов. Роль и причина повышения количества CD8+ лимфоцитов при ХОБЛ до конца неясна [6]. По некоторым данным, это связывают с нарушением работы регуляторных CD4+ лимфоцитов, что в итоге приводит к активации и хоумингу CD8+ лимфоцитов [14]. Помимо CD8+ клеток, важную роль играют нейтрофилы и макрофаги. Нейтрофилы являются основными клетками, разрушающими альвеолярные стенки. Под воздействием патогенных факторов нейтрофилы секретируют ферменты группы протеаз, которые способны разрушать коллаген и другие белки соединительной ткани стромы лёгкого, приводя к их разрушению и развитию эмфиземы [6]. Исследования показывают, что количество нейтрофилов в инфильтратах ткани лёгкого коррелирует со степенью развития эмфиземы [17]. Макрофаги принимают участие в индукции процесса воспаления путём секреции хемоаттрактантных молекул и воспалительных факторов, что вовлекает в воспалительный процесс большее количество нейтрофилов и других иммунокомпетентных клеток.
Гибель нейтрофилов в процессе реализации воспалительного ответа приводит к накоплению множества лизирующих ферментов и оксидантных молекул, нарушая баланс между антиоксидантами и оксидантами в пользу последних. Это выражается в избыточном образовании активных форм кислорода и оксида азота, что приводит к нарушению структуры белков, нуклеиновых кислот, клеточных мембран, снижению активности сурфактанта, что, в свою очередь, является причиной гибели клеток и повышения проницаемости сосудистого русла [3].
Дисбаланс в системе протеаз и антипротеаз, является следствием дефицита альфа-1-антрипсина, активации сывороточных протеаз, что приводит к разрушению стенок альвеол, паренхимы лёгкого и развитию эмфиземы [3].
Патофизиологические изменения во время ХОБЛ реализуются как на клеточном, так и на тканевом уровне. Обычно, началом служит изменение количества и состава слизи, секретируемой клетками респираторной системы, нарушением функции ресничек мерцательного эпителия, и, как следствие, мукоцилиарного транспорта. Все эти процессы, в дальнейшем сопровождаются потерей эластической тяги лёгких из-за разрушения альвеол, что, в совокупности с другими патологическими факторами, описанными выше, приводит к ограничению проходимости воздуха через дыхательные пути – бронхиальной обструкции, частично обратимой вначале болезни и необратимой на более поздних стадиях прогрессии заболевания [3].
Все перечисленное ранее, закономерно приводит к нарушению газообмена. На ранних этапах развивается гипоксемия, на более поздних – гиперкапния. Другими системными проявлениями являются: развитие лёгочной гипертензии, которая обусловливает развитие лёгочного сердца и правожелудочковой недостаточности. С прогрессированием ХОБЛ процессы воспаления также приобретают системный характер, вовлекается эндотелий сосудов и развиваются характерные системные эффекты [3].
Все вышесказанное позволяет нам понять сложность морфо- и патогенеза ХОБЛ. В связи с этим, одним из подходов к лечению является клеточная терапия, позволяющая оказать комплексный эффект на ткань лёгкого. Рассмотрим эти эффекты с точки зрения патогенеза ХОБЛ.
За последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в области регенеративной медицины и биологии стволовых клеток [5]. МСК представляют собой мультипотентные стволовые клетки, имеющие фибробласто-подобную морфологию и способность дифференцироваться в зависимости от микроокружения, культуральной среды и добавок к ней в остеобласты, фибробласты, адипоциты, хондробласты и миобласты [10]. В дополнение к их способности к дифференцировке, исследования МСК показывают их иммуномодулирующую и противовоспалительную активность, которые открывают возможность использования МСК в качестве лечения при различных воспалительных заболеваниях, включая ХОБЛ [1]. МСК, выделенные из различных тканей, включая костный мозг, жировую ткань, или пуповинную кровь, как было показано, не обладают иммуногенностью и, таким образом, могут быть использованы для аллогенной или аутологичной клеточной терапии при различных заболеваниях. Неоднократно показано, что МСК обладают противовоспалительным и иммуномодулирующим действием при различных типах повреждений тканей и воспалительных реакциях различной этиологии [1]. Известно, что МСК оказывают положительное действие на животных моделях многих видов лёгочных повреждений, включая индуцированную сигаретным дымом или индуцированную эластазой ХОБЛ/эмфизему [11, 19], индуцированный блеомицином фиброз [35], бронхолёгочную дисплазию [44], индуцированное гипервентиляцией повреждение легких [15] и бактериальную пневмонию [20]. Многие из этих доклинических данных подтверждают терапевтический потенциал МСК на животных моделях заболеваний человека, включая ХОБЛ. Основываясь на результатах доклинических исследований по применению МСК на животных моделях ХОБЛ, D.Weiss et al. [47] недавно завершили мультицентровое двойное слепое плацебо-контролируемое исследование фазы II аллогенных инфузий МСК для пациентов с умеренной и тяжёлой ХОБЛ. Данное исследование было основано на гипотезе о том, что иммуномодулирующее действие МСК уменьшает лёгочное и, возможно, системное воспаление, связанное с ХОБЛ, тем самым улучшая функцию легких и оказывая положительное влияние на качество жизни больных. Однако результат этого клинического исследования был отрицательным и не показал достоверной эффективности введения МСК при ХОБЛ, несмотря на значительное снижение уровня C-реактивного белка в сыворотке у пациентов, получавших МСК. Также не было отмечено значительных различий в показателях функций легких или частоты обострений между пациентами, получившими МСК, и контролем [47]. Необходимы дальнейшие масштабные исследования, чтобы более подробно изучить потенциальные эффекты МСК на клинический результат у пациентов с ХОБЛ.
При введении МСК можно выделить следующие группы эффектов, влияющих на течение ХОБЛ: изменение воспалительного процесса, стабилизация системы протеиназ/антипротеаз, подавление апоптоза альвеолярных клеток и снижение оксидативного стресса в тканях легких.
Влияние на воспаление
Одним из механизмов действия МСК при эмфиземе, является подавление воспалительной реакции путём выделения растворимых противовоспалительных молекул и активации клеточных противовоспалительных путей [19]. Внутрилёгочное введение МСК в животной модели эмфиземы, индуцированной сигаретным дымом, показало положительное влияние на патогенез эмфиземы, частично путём снижения секреции провоспалительных медиаторов, таких как TNF-a, IL-1b, IL-6 и MCP-1 [19].
Снижение уровня протеаз
Ряд исследований показывает, что внутрилёгочное введение МСК уменьшает продукцию матриксных металлопротеаз ММП-9 и ММП-12 в легких крыс с эмфиземой, индуцированной сигаретным дымом. Угнетение происходит как на уровне экспрессии генетической информации, так и на уровне трансляции мРНК [19]. Хотя механизм данного эффекта ещё не полностью изучен, отчасти это объясняется ингибированием по механизму положительной обратной связи, предположительно связанному с высвобождением ФНО-альфа [13].
Снижение апоптоза в альвеолах
Блокирование сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF) приводит к апоптозу альвеолярной клетки, снижению уровня экспрессии VEGF и VEGF-рецептора 2 (VEGFR2) как на уровне белка, так и на уровне и-РНК, что было показано у пациентов с эмфиземой и курильщиков [25]. МСК стимулируют секрецию VEGF [19, 48] и индукцию VEGFR2 [19], снижая уровень апоптоза, что было показано на животных моделях ХОБЛ, индуцированных папаином [51] и сигаретным дымом [19], путём стимулирующего влияния на VEGF-сигнальный путь. Альтернативный механизм, посредством которого МСК подавляет апоптоз альвеолярных клеток, предполагает изменение экспрессии апоптотических или антиапоптотических генов в этих клетках [51]. Данные показывают, что апоптотический ген Bax и антиапоптотический ген Bcl-2 подавляется и индуцируются, соответственно, после внутрилёгочного введения МСК при папаин-индуцированной модели эмфиземы у крыс [51]. Третий механизм снижения уровня альвеолярного апоптоза связан с тем, что МСК снижают уровень активированной каспазы-3 [27], которая, в свою очередь, является важнейшим звеном в активации внутриклеточного апоптоза.
Снижение уровня оксидативного стресса
Модуляция процессов, ведущих к изменению окислительного стресса с помощью МСК является актуальным направлением современных исследований. Например, ряд работ показывает увеличение выживаемости крыс при модели липополисахарид-индуцированного повреждения легких на фоне трансплантации МСК из костного мозга, что связано с уменьшением окислительного стресса в тканях [32]. Кроме того, МСК снижают уровень малонового диальдегида в легких, параллельно происходит увеличение синтеза гемоксигеназы-1, фермента с сильными антиоксидантными свойствами и цитопротекторными эффектами [18]. Известно, что трансплантация МСК из костного мозга уменьшает окислительный стресс в мозге крысы при модели «спонтанного удара» [9]. Дальнейшие исследования необходимы для понимания влияния МСК на окислительный стресс при эмфиземе и антиокислительного механизма действия МСК в альвеолярных клетках. Другие данные говорят о том, что трансплантация МСК через хвостовую вену крысы может остановить развитие эмфиземы в модели, индуцированной сигаретным дымом, путём дифференцировки вводимых МСК в альвеолярные эпителиальные клетки II типа и снижения уровня апоптоза и окислительного стресса [24].
Потенциал дифференцировки МСК в альвеолоциты 2 типа
Положительные эффекты применения МСК при эмфиземе, связаны с их способностью дифференцироваться в альвеолярные клетки, хотя окончательный тип клеток не совсем известен. [22, 28, 33, 39, 50]. Дифференцировка МСК в альвеолярные эпителиальные клетки I и/или II типа была зарегистрирована на крысиных моделях эмфиземы, индуцированной липополисахаридом, и эмфиземы, индуцированной сигаретным дымом [51], вызванными блеомицином повреждениях легких [22, 28, 39]. Исследования китайской группой учёных механизмов дифференцировки МСК показали, что дифференцировка в альвеолярные эпителиальные клетки типа II при совместном их культивировании была связана с активацией канонического сигнального пути Wnt [33].
Заключение
В настоящее время не существует терапии, которая могла бы остановить прогрессирование ХОБЛ или снизить смертность от данного заболевания. Трансплантация МСК представляет собой потенциально перспективное лечение ХОБЛ в связи с положительным влиянием на воспаление в тканях, баланс в системе протеазы/антипротеазы, апоптоз, окислительный стресс или же в результате прямой дифференцировки МСК в клетки паренхимы легких. Основным препятствием для клинического применения МСК при ХОБЛ является нехватка данных о долгосрочной безопасности МСК у пациентов с ХОБЛ и достаточной эффективности клеточной терапии ХОБЛ в клинических исследованиях. Следует отметить, что имеющиеся клинические испытания не показали инфузионной токсичности, серьёзных побочных эффектов или связанных с лечением смертей в течение двухлетнего периода [47]. Необходимо провести более масштабные клинические испытания, чтобы более полно оценить эффективность и долгосрочную безопасность МСК у пациентов с ХОБЛ. Второй серьёзной проблемой для клинического применения МСК при ХОБЛ является то, что терапевтический подход к терапии неясен, и необходимы дополнительные исследования для определения необходимой дозы клеток, скорости инфузии и путей введения. Таким образом, хотя и существует несколько проблем, трансплантация МСК представляет собой потенциально перспективный подход к терапии ХОБЛ.
