肺常驻干细胞修复肺损伤的相关通路研究进展

李丹丹 刘 虹 陈亚君 李福东 耿凡毅

肺是人体重要的呼吸器官,具有气体交换和防御等功能,在感染、有毒化学物质、放射等各种因素导致肺损伤后,肺组织中的各种常驻干细胞会迅速增殖分化为各种功能性肺组织细胞,从而改善肺功能[1]。近年来,越来越多的研究表明,肺常驻干细胞在肺修复过程中发挥着重要的作用。肺在解剖结构上可细分为4个不同的区域:气管、支气管、细支气管和肺泡,在肺修复过程中,每个区域的稳态由区域特异性常驻干细胞保证,这些细胞及其分化的后代在稳态条件下表现出稳定的特性,但在损伤后可以显示出强大的修复潜能[2]。研究者通过鉴定细胞标志物、体内谱系追踪分析及体外类器官培养等方式增加了对肺常驻干细胞的认识[3]。多项研究表明,在肺常驻干细胞修复肺损伤的过程中,多种信号通路参与其中并发挥着重要作用。

一、不同区域的肺常驻干细胞

1.近端气管常驻干细胞:气管由假复层柱状上皮组成,包括基底细胞(basal cell,BC)、分泌细胞和纤毛细胞等。气管功能包括感知环境、分泌、再生、排斥感染、处理毒素和清除碎片等。基底细胞和表达Scgb1a1的分泌细胞被认为是参与气管损伤修复的常驻干细胞群[4]。

(1)基底细胞:基底细胞是具有自我更新和多向分化潜能的多能干细胞。作为气管的常驻干细胞,基底细胞在体内稳态时通常保持静止状态,当发生急性肺损伤时,基底细胞短时间内可迅速增殖,并分化为多种气管上皮细胞维持气管结构和功能[5]。Zuo等[6]通过支气管镜刷取人支气管上皮细胞,从中分离出高度表达SOX9的基底细胞,将体外扩增的人SOX9 BC移植到博来霉素诱导肺损伤的小鼠肺中,可以观察到BC分化为肺泡细胞和细支气管上皮细胞,包括分泌细胞和纤毛细胞,有效地阻断了肺纤维化的进展,从而改善小鼠的肺功能,并且将人SOX9 BC移植到支气管扩张患者的肺中,可以极大地改善患者的症状,证明了基底细胞具有修复能力,为以后的干细胞疗法提供了治疗思路。

(2)分泌细胞:表达Scgb1a1的分泌细胞分布在气管内,显示出有限的干细胞特性。当气管损伤时,分泌细胞以缓慢的速度自我更新并分化为纤毛细胞,但不能产生其他类型的细胞[7]。分泌细胞在基底细胞选择性耗尽后表现出稳定地去分化为基底样细胞的潜能,这些基底样细胞是多能的,在二氧化硫或流感病毒感染引起的气道损伤后,这些细胞可以分化为基底细胞、分泌细胞和纤毛细胞来再生气管上皮[4]。

2.细支气管常驻干细胞:细支气管常驻干细胞包括神经内分泌细胞(pulmonary neuroendocrine cell,PNEC)、v-分泌细胞、支气管肺泡干细胞(bronchioalveolar stem cell,BASC)、远端气道干细胞(distal airway stem cell,DASC)等。

(1)神经内分泌细胞:神经内分泌细胞被证明是体内基底细胞的后代,通常聚集在神经内分泌体(neuroendocrine bodies,NEBs)中,具有作为干细胞的增殖和分化潜能。在萘诱导的严重肺损伤后,PNEC增殖并分化为分泌细胞和纤毛细胞以促进上皮细胞修复[8]。

(2)v-分泌细胞:v-分泌细胞是细支气管的常驻干细胞之一,在大多数分泌细胞凋亡后促进细支气管的修复和再生。在萘诱导损伤的小鼠模型中可观察到大部分分泌细胞凋亡,并且研究者通过谱系追踪研究确定了分泌细胞的亚群:v-分泌细胞[7]。v-分泌细胞可以在两个区域观察到:毗邻NEBs和小鼠的支气管肺泡连接处(bronchioalveolar duct junction,BADJ)。与大部分分泌细胞比较,v-分泌细胞特征性地表达高水平的Scgb3a2和Upka3, 而Scgb1a1表达水平很低[7]。在稳态或轻度至中度损伤期间,v-分泌细胞对细支气管上皮再生的贡献很小。而在萘介导的严重肺损伤之后,位于NEBs和BADJ附近的v-分泌细胞显著地促进了细支气管上皮的修复和再生[7]。这表明,肺损伤的类型和严重程度可能有助于观察细胞来源和再生程度。

(3)支气管肺泡干细胞:支气管肺泡干细胞位于支气管肺泡导管连接处,表达Scgb1a1和SPC,可以分化为多种上皮细胞[7]。多项研究表明,BASC在体外3D培养21天后可形成细支气管样和肺泡样结构[9]。在细支气管或肺泡损伤的动物模型中,BASC可以分别分化为分泌细胞和纤毛细胞或肺泡细胞来修复远端气道和肺泡[10, 11]。

(4)远端气道干细胞:远端气道干细胞是分布在小鼠和人远端气道基底上皮中的表达TP63和KRT5的干细胞群,可以自我更新并分化为肺泡和支气管上皮细胞来促进肺修复[12]。DASC已被证明在肺损伤后具有强大的再生能力,在H1N1流感病毒感染后, DASC激活并增殖,沿远端气道迁移到肺泡区域并形成“豆荚”。这些“豆荚”可以密封损伤的肺泡屏障,从而根据损伤程度向成熟上皮和组织的再生分化[2]。将小鼠DASC移植到博来霉素诱导肺损伤的小鼠模型中,可以观察到DASC增殖并分化成1型肺泡上皮细胞,通过减弱胶原蛋白的沉积抑制肺纤维化,极大地改善了肺纤维化小鼠的肺功能并降低了小鼠死亡率[13]。

3.肺泡常驻干细胞:肺泡细胞由1型肺泡细胞(alveolar type 1 cell,AT1)和2型肺泡细胞(alveolar type 2 cell,AT2)组成。AT1是薄而扁平的细胞,覆盖95%的肺泡表面,表达AQP5、PDPN、和HOPX等标志物。AT2细胞分泌肺表面活性剂,以降低肺的表面张力并维持肺泡稳态[14]。SPC是AT2的特异性标志物。

(1)1型肺泡细胞:AT1通常被认为是一种终末分化并处于静止状态的细胞类型,但有研究表明在肺损伤后,AT1有再生肺泡的潜能。在3D类器官培养中,单个HOPX AT1细胞能够产生包含AT1和AT2细胞的类器官[4]。对AT1和AT2进行谱系追踪发现,高氧或低氧诱导新生小鼠肺损伤后, AT2再生能力有限,而AT1表现出强大的再生能力,可分化为AT2促进肺泡修复[15]。

(2) 2型肺泡细胞:AT2在损伤期间充当肺泡上皮的干细胞,通常保持静止状态,在损伤后被激活并表现出显著的再生能力,以恢复肺泡在稳态和再生状态下的结构和功能[14]。在铜绿假单胞菌诱导的肺损伤后的修复阶段,Liu等[16]通过谱系追踪分析鉴定出表达干细胞抗原Sca-1的AT2,与Sca-1 阴性的AT2比较,Sca-1 AT2具有相对显著的增殖效率和分化成AT1的潜力。Nabhan等[17]通过观察Wnt靶基因Axin2在小鼠肺中的表达,鉴定出罕见的AT2亚群:表达Axin2的AT2细胞,Axin2 AT2具有干细胞潜能,在肺损伤后迅速扩增并产生AT1和AT2细胞再生肺泡。

二、相关通路研究进展

多项研究揭示了各种信号通路参与肺损伤后的修复过程,如 Wnt、Notch、Hippo等通路。

1.Wnt通路:Wnt通路在肺组织的干细胞增殖和分化中起着重要的作用。Wnt通路可分为经典Wnt路(Wnt/β-catenin通路)和非经典Wnt通路(Wnt/Ca2+通路、Wnt/PCP通路)[4]。成年小鼠气管损伤后,基底细胞内激活经典Wnt通路促进肺修复,而抑制Wnt信号转导降低了基底细胞的增殖速率并阻碍了肺气道上皮的再生[18]。在萘诱导的肺损伤中,Wnt配体(Wnt3A、Wnt5A和Wnt7B)在修复的早期阶段在分泌细胞中上调,激活 Wnt信号转导可导致BASC数量大幅增加[4]。肺气肿患者或小鼠肺泡的Wnt/β-catenin蛋白活性降低,从肺气肿小鼠模型中分离的远端气道干细胞及肺泡类器官形成能力受损,使用Wnt激动剂激活Wnt/β-catenin信号转导,远端气道干细胞的类器官形成能力显著提高,同时,肺泡类器官的数量增加[18]。Axin2 AT2通过Wnt/β-catenin通路积极参与肺修复。Axin2 AT2可促进离体肺类器官的形成,激活Wnt信号通路会引起Axin2 AT2自我更新反应,并增强肺类器官增殖,而抑制Wnt信号减慢了肺类器官形成及Axin2 AT2扩增,反而有利于Axin2 AT2向AT1分化[17]。同时,Raslan等[19]在分泌细胞和AT2中检测到强烈的R-spondin2(Rspo2)表达,Rspo2是Wnt通路的激活因子。在离体3D类器官培养中,Rspo2通过激活Wnt信号通路促进肺泡类器官形成和分化。萘诱导的小鼠气道损伤后,Rspo2表达显著下降,同时他们观察到缺乏Rspo2基因的小鼠在萘诱导的肺损伤后表现出明显的气道再生缺陷。了解Wnt信号通路参与干细胞增殖与分化过程为利用肺常驻干细胞治疗肺部疾病提供了新的思路。

2. Notch通路:Notch通路对肺上皮的稳态和修复至关重要。这条通路由4个受体(Notch1、Notch2、Notch3和Notch4)、5个典型配体(Jagged1和Jagged2)以及Delta样配体(Dll1、Dll3和Dll4)组成[20]。基底细胞是气道修复过程中的主要干细胞群,受到Notch信号转导的强烈影响。Notch通路是基底细胞分化所必需的,激活Notch通路可促进基底细胞分化为分泌细胞,在肺损伤时维持气管上皮稳态[21]。在肺修复阶段,Notch通路促进DASC激活,但抑制了其分化为肺泡细胞。研究者用γ分泌酶抑制剂与DASC共培养,观察到抑制Notch信号转导可促进DASC向肺泡细胞分化[22]。敲除小鼠Notch受体后,可观察到PNEC的数量和大小明显增加,表明Notch通路在正常稳态期间限制PNEC增殖或分化,而在萘诱导的肺损伤中,PNEC中Notch信号转导水平升高,促进PNEC的增殖和转分化为分泌细胞和纤毛细胞[23]。在铜绿假单胞菌诱导的急性肺损伤的小鼠中,可观察到AT2中的 Notch信号在损伤后的增殖阶段被激活,但随着AT2分化为AT1,Notch信号转导水平下降,有助于 AT2 细胞数量恢复[24], 这种从高到低的开关对于AT2胞分化成AT1细胞至关重要。

3. Hippo通路:Hippo是肺上皮细胞增殖、分化的关键通路。YAP/TAZ是Hippo信号转导中的核心因子,在器官发育、组织稳态和修复中非常重要。Yap是基底细胞维持稳态所必需的。基底细胞在YAP缺失时经过其无节制的分化而丢失,导致气道假复层柱状上皮被简化为柱状上皮。相反,YAP信号过表达会加快基底细胞的增殖速率并阻止其分化,导致上皮增生[25]。在基底细胞耗竭后,分泌细胞可以去分化为基底样细胞促进肺修复,YAP在分泌细胞中的过表达会促进这种分化,同时抑制分泌细胞增殖,相反,抑制Hippo/YAP通路将阻止这种去分化[26]。Hippo通路在AT2向AT1的分化过程中起着至关重要的作用,在感染肺炎链球菌的小鼠中,YAP/TAZ在AT2中表达显著增加,促进AT2增殖和分化为AT1来减轻肺部炎症和修复肺泡上皮,而将AT2细胞中的YAP/TAZ基因特异性敲除后,小鼠肺部炎症加重,导致肺部纤维化病变[27]。

三、展 望

损伤后肺强大的修复能力反映了肺组织学的复杂性,不同解剖区域的肺常驻干细胞具有其独特的分化潜能。多种信号通路在肺常驻干细胞增殖和分化过程中起着关键的调节作用。除了上述介绍的Wnt通路、Notch通路及Hippo通路,还有BMP通路、Hedgehog通路、TGF-β通路等通路在调节肺常驻干细胞修复阶段发挥着重要作用。目前,我们正处于实现肺再生医学前景的开始。关于肺常驻干细胞修复肺损伤的机制尚不十分明确,仍需要开展深入的研究予以进一步证实。