肺常駐干細胞修復肺損傷的相關通路研究進展

李丹丹 劉 虹 陳亞君 李福東 耿凡毅

肺是人體重要的呼吸器官,具有氣體交換和防御等功能,在感染、有毒化學物質、放射等各種因素導致肺損傷后,肺組織中的各種常駐干細胞會迅速增殖分化為各種功能性肺組織細胞,從而改善肺功能[1]。近年來,越來越多的研究表明,肺常駐干細胞在肺修復過程中發揮著重要的作用。肺在解剖結構上可細分為4個不同的區域:氣管、支氣管、細支氣管和肺泡,在肺修復過程中,每個區域的穩態由區域特異性常駐干細胞保證,這些細胞及其分化的后代在穩態條件下表現出穩定的特性,但在損傷后可以顯示出強大的修復潛能[2]。研究者通過鑒定細胞標志物、體內譜系追蹤分析及體外類器官培養等方式增加了對肺常駐干細胞的認識[3]。多項研究表明,在肺常駐干細胞修復肺損傷的過程中,多種信號通路參與其中并發揮著重要作用。

一、不同區域的肺常駐干細胞

1.近端氣管常駐干細胞:氣管由假復層柱狀上皮組成,包括基底細胞(basal cell,BC)、分泌細胞和纖毛細胞等。氣管功能包括感知環境、分泌、再生、排斥感染、處理毒素和清除碎片等?；准毎捅磉_Scgb1a1的分泌細胞被認為是參與氣管損傷修復的常駐干細胞群[4]。

(1)基底細胞:基底細胞是具有自我更新和多向分化潛能的多能干細胞。作為氣管的常駐干細胞,基底細胞在體內穩態時通常保持靜止狀態,當發生急性肺損傷時,基底細胞短時間內可迅速增殖,并分化為多種氣管上皮細胞維持氣管結構和功能[5]。Zuo等[6]通過支氣管鏡刷取人支氣管上皮細胞,從中分離出高度表達SOX9的基底細胞,將體外擴增的人SOX9 BC移植到博來霉素誘導肺損傷的小鼠肺中,可以觀察到BC分化為肺泡細胞和細支氣管上皮細胞,包括分泌細胞和纖毛細胞,有效地阻斷了肺纖維化的進展,從而改善小鼠的肺功能,并且將人SOX9 BC移植到支氣管擴張患者的肺中,可以極大地改善患者的癥狀,證明了基底細胞具有修復能力,為以后的干細胞療法提供了治療思路。

(2)分泌細胞:表達Scgb1a1的分泌細胞分布在氣管內,顯示出有限的干細胞特性。當氣管損傷時,分泌細胞以緩慢的速度自我更新并分化為纖毛細胞,但不能產生其他類型的細胞[7]。分泌細胞在基底細胞選擇性耗盡后表現出穩定地去分化為基底樣細胞的潛能,這些基底樣細胞是多能的,在二氧化硫或流感病毒感染引起的氣道損傷后,這些細胞可以分化為基底細胞、分泌細胞和纖毛細胞來再生氣管上皮[4]。

2.細支氣管常駐干細胞:細支氣管常駐干細胞包括神經內分泌細胞(pulmonary neuroendocrine cell,PNEC)、v-分泌細胞、支氣管肺泡干細胞(bronchioalveolar stem cell,BASC)、遠端氣道干細胞(distal airway stem cell,DASC)等。

(1)神經內分泌細胞:神經內分泌細胞被證明是體內基底細胞的后代,通常聚集在神經內分泌體(neuroendocrine bodies,NEBs)中,具有作為干細胞的增殖和分化潛能。在萘誘導的嚴重肺損傷后,PNEC增殖并分化為分泌細胞和纖毛細胞以促進上皮細胞修復[8]。

(2)v-分泌細胞:v-分泌細胞是細支氣管的常駐干細胞之一,在大多數分泌細胞凋亡后促進細支氣管的修復和再生。在萘誘導損傷的小鼠模型中可觀察到大部分分泌細胞凋亡,并且研究者通過譜系追蹤研究確定了分泌細胞的亞群:v-分泌細胞[7]。v-分泌細胞可以在兩個區域觀察到:毗鄰NEBs和小鼠的支氣管肺泡連接處(bronchioalveolar duct junction,BADJ)。與大部分分泌細胞比較,v-分泌細胞特征性地表達高水平的Scgb3a2和Upka3, 而Scgb1a1表達水平很低[7]。在穩態或輕度至中度損傷期間,v-分泌細胞對細支氣管上皮再生的貢獻很小。而在萘介導的嚴重肺損傷之后,位于NEBs和BADJ附近的v-分泌細胞顯著地促進了細支氣管上皮的修復和再生[7]。這表明,肺損傷的類型和嚴重程度可能有助于觀察細胞來源和再生程度。

(3)支氣管肺泡干細胞:支氣管肺泡干細胞位于支氣管肺泡導管連接處,表達Scgb1a1和SPC,可以分化為多種上皮細胞[7]。多項研究表明,BASC在體外3D培養21天后可形成細支氣管樣和肺泡樣結構[9]。在細支氣管或肺泡損傷的動物模型中,BASC可以分別分化為分泌細胞和纖毛細胞或肺泡細胞來修復遠端氣道和肺泡[10, 11]。

(4)遠端氣道干細胞:遠端氣道干細胞是分布在小鼠和人遠端氣道基底上皮中的表達TP63和KRT5的干細胞群,可以自我更新并分化為肺泡和支氣管上皮細胞來促進肺修復[12]。DASC已被證明在肺損傷后具有強大的再生能力,在H1N1流感病毒感染后, DASC激活并增殖,沿遠端氣道遷移到肺泡區域并形成“豆莢”。這些“豆莢”可以密封損傷的肺泡屏障,從而根據損傷程度向成熟上皮和組織的再生分化[2]。將小鼠DASC移植到博來霉素誘導肺損傷的小鼠模型中,可以觀察到DASC增殖并分化成1型肺泡上皮細胞,通過減弱膠原蛋白的沉積抑制肺纖維化,極大地改善了肺纖維化小鼠的肺功能并降低了小鼠死亡率[13]。

3.肺泡常駐干細胞:肺泡細胞由1型肺泡細胞(alveolar type 1 cell,AT1)和2型肺泡細胞(alveolar type 2 cell,AT2)組成。AT1是薄而扁平的細胞,覆蓋95%的肺泡表面,表達AQP5、PDPN、和HOPX等標志物。AT2細胞分泌肺表面活性劑,以降低肺的表面張力并維持肺泡穩態[14]。SPC是AT2的特異性標志物。

(1)1型肺泡細胞:AT1通常被認為是一種終末分化并處于靜止狀態的細胞類型,但有研究表明在肺損傷后,AT1有再生肺泡的潛能。在3D類器官培養中,單個HOPX AT1細胞能夠產生包含AT1和AT2細胞的類器官[4]。對AT1和AT2進行譜系追蹤發現,高氧或低氧誘導新生小鼠肺損傷后, AT2再生能力有限,而AT1表現出強大的再生能力,可分化為AT2促進肺泡修復[15]。

(2) 2型肺泡細胞:AT2在損傷期間充當肺泡上皮的干細胞,通常保持靜止狀態,在損傷后被激活并表現出顯著的再生能力,以恢復肺泡在穩態和再生狀態下的結構和功能[14]。在銅綠假單胞菌誘導的肺損傷后的修復階段,Liu等[16]通過譜系追蹤分析鑒定出表達干細胞抗原Sca-1的AT2,與Sca-1 陰性的AT2比較,Sca-1 AT2具有相對顯著的增殖效率和分化成AT1的潛力。Nabhan等[17]通過觀察Wnt靶基因Axin2在小鼠肺中的表達,鑒定出罕見的AT2亞群:表達Axin2的AT2細胞,Axin2 AT2具有干細胞潛能,在肺損傷后迅速擴增并產生AT1和AT2細胞再生肺泡。

二、相關通路研究進展

多項研究揭示了各種信號通路參與肺損傷后的修復過程,如 Wnt、Notch、Hippo等通路。

1.Wnt通路:Wnt通路在肺組織的干細胞增殖和分化中起著重要的作用。Wnt通路可分為經典Wnt路(Wnt/β-catenin通路)和非經典Wnt通路(Wnt/Ca2+通路、Wnt/PCP通路)[4]。成年小鼠氣管損傷后,基底細胞內激活經典Wnt通路促進肺修復,而抑制Wnt信號轉導降低了基底細胞的增殖速率并阻礙了肺氣道上皮的再生[18]。在萘誘導的肺損傷中,Wnt配體(Wnt3A、Wnt5A和Wnt7B)在修復的早期階段在分泌細胞中上調,激活 Wnt信號轉導可導致BASC數量大幅增加[4]。肺氣腫患者或小鼠肺泡的Wnt/β-catenin蛋白活性降低,從肺氣腫小鼠模型中分離的遠端氣道干細胞及肺泡類器官形成能力受損,使用Wnt激動劑激活Wnt/β-catenin信號轉導,遠端氣道干細胞的類器官形成能力顯著提高,同時,肺泡類器官的數量增加[18]。Axin2 AT2通過Wnt/β-catenin通路積極參與肺修復。Axin2 AT2可促進離體肺類器官的形成,激活Wnt信號通路會引起Axin2 AT2自我更新反應,并增強肺類器官增殖,而抑制Wnt信號減慢了肺類器官形成及Axin2 AT2擴增,反而有利于Axin2 AT2向AT1分化[17]。同時,Raslan等[19]在分泌細胞和AT2中檢測到強烈的R-spondin2(Rspo2)表達,Rspo2是Wnt通路的激活因子。在離體3D類器官培養中,Rspo2通過激活Wnt信號通路促進肺泡類器官形成和分化。萘誘導的小鼠氣道損傷后,Rspo2表達顯著下降,同時他們觀察到缺乏Rspo2基因的小鼠在萘誘導的肺損傷后表現出明顯的氣道再生缺陷。了解Wnt信號通路參與干細胞增殖與分化過程為利用肺常駐干細胞治療肺部疾病提供了新的思路。

2. Notch通路:Notch通路對肺上皮的穩態和修復至關重要。這條通路由4個受體(Notch1、Notch2、Notch3和Notch4)、5個典型配體(Jagged1和Jagged2)以及Delta樣配體(Dll1、Dll3和Dll4)組成[20]?；准毎菤獾佬迯瓦^程中的主要干細胞群,受到Notch信號轉導的強烈影響。Notch通路是基底細胞分化所必需的,激活Notch通路可促進基底細胞分化為分泌細胞,在肺損傷時維持氣管上皮穩態[21]。在肺修復階段,Notch通路促進DASC激活,但抑制了其分化為肺泡細胞。研究者用γ分泌酶抑制劑與DASC共培養,觀察到抑制Notch信號轉導可促進DASC向肺泡細胞分化[22]。敲除小鼠Notch受體后,可觀察到PNEC的數量和大小明顯增加,表明Notch通路在正常穩態期間限制PNEC增殖或分化,而在萘誘導的肺損傷中,PNEC中Notch信號轉導水平升高,促進PNEC的增殖和轉分化為分泌細胞和纖毛細胞[23]。在銅綠假單胞菌誘導的急性肺損傷的小鼠中,可觀察到AT2中的 Notch信號在損傷后的增殖階段被激活,但隨著AT2分化為AT1,Notch信號轉導水平下降,有助于 AT2 細胞數量恢復[24], 這種從高到低的開關對于AT2胞分化成AT1細胞至關重要。

3. Hippo通路:Hippo是肺上皮細胞增殖、分化的關鍵通路。YAP/TAZ是Hippo信號轉導中的核心因子,在器官發育、組織穩態和修復中非常重要。Yap是基底細胞維持穩態所必需的?；准毎赮AP缺失時經過其無節制的分化而丟失,導致氣道假復層柱狀上皮被簡化為柱狀上皮。相反,YAP信號過表達會加快基底細胞的增殖速率并阻止其分化,導致上皮增生[25]。在基底細胞耗竭后,分泌細胞可以去分化為基底樣細胞促進肺修復,YAP在分泌細胞中的過表達會促進這種分化,同時抑制分泌細胞增殖,相反,抑制Hippo/YAP通路將阻止這種去分化[26]。Hippo通路在AT2向AT1的分化過程中起著至關重要的作用,在感染肺炎鏈球菌的小鼠中,YAP/TAZ在AT2中表達顯著增加,促進AT2增殖和分化為AT1來減輕肺部炎癥和修復肺泡上皮,而將AT2細胞中的YAP/TAZ基因特異性敲除后,小鼠肺部炎癥加重,導致肺部纖維化病變[27]。

三、展 望

損傷后肺強大的修復能力反映了肺組織學的復雜性,不同解剖區域的肺常駐干細胞具有其獨特的分化潛能。多種信號通路在肺常駐干細胞增殖和分化過程中起著關鍵的調節作用。除了上述介紹的Wnt通路、Notch通路及Hippo通路,還有BMP通路、Hedgehog通路、TGF-β通路等通路在調節肺常駐干細胞修復階段發揮著重要作用。目前,我們正處于實現肺再生醫學前景的開始。關于肺常駐干細胞修復肺損傷的機制尚不十分明確,仍需要開展深入的研究予以進一步證實。