科技前沿 | 盘点：关于肺干细胞的三篇文章
近年来，自从科学家们首次发现肺干细胞以来，相关研究不断取得进展。同时也有科学家利用其他的干细胞分化为肺细胞。这些进展有望治疗肺部疾病。基于此，对近期关于肺干细胞的三篇文章进行汇总，以飨读者。
Nature:重磅！首次鉴定出肺泡上皮祖细胞，有望再生人肺组织
2018年3月16日在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚大学的研究人员鉴定出一种修复肺泡（即肺部中的一种气体交换区室）的肺祖细胞。他们分离出来自小鼠和人类肺部的这些祖细胞，描述了它们的特征，并且证实它们是严重流感和其他的呼吸系统疾病导致的肺组织损伤所必不可少的。
相关研究结果于2018年2月28日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Regeneration of the lung alveolus by an evolutionarily conserved epithelial progenitor”。论文通信作者为宾夕法尼亚大学细胞与发育生物学系教授Edward E. Morrisey博士。
从进化角度而言，肺部的产生是对陆地生活的适应。为了在陆地上生存，肺部是大多数大型动物所必需的。它的复杂结构，部分上是由它与心血管系统整合在一起决定的，这就使得它成为一种引人关注的而又难以从再生医学角度进行研究的器官。此外，肺部疾病是世界上主要的死亡原因之一，仅次于心血管疾病和癌症。
Morrisey说，“更好地理解肺部再生的最为重要的地方之一是肺泡，即肺部中的血液吸收氧气和呼出二氧化碳的微小壁龛。为了更好地理解这些微妙的结构，我们一直在绘制肺泡中的不同类型的细胞。理解细胞-细胞相互作用应当有助于我们发现新的参与者和分子通路，从而为未来的治疗提供靶标。”
这项研究探究了肺泡表面上的上皮细胞是否具有干细胞行为，这种干细胞行为有可能在流感感染引起的严重损伤后或者在诸如慢性阻塞性肺疾病（COPD）等疾病中恢复正常的呼吸功能。尽管诸如肠道之类的一些器官通过驻留的干细胞每五天就更换整个肠道上皮内壁，但是诸如肺部之类的器官表现出非常缓慢的更换并且包含仅在遭受损伤时才会被激活从而再生这种受损组织的干细胞。
Morrisey团队鉴定出一种肺泡上皮祖细胞（alveolar epithelial progenitor, AEP），其中AEP混迹于更大的被称作2型肺泡细胞（alveolar type 2 cell, AT2细胞）的细胞群体中。这些细胞产生肺表面活性物质（润湿剂），从而阻止每次呼吸时肺萎陷。论文共同第一作者、Morrisey 实验室博士后研究员Will Zacharias 博士说，“AEP是肺部中的一种稳定的细胞谱系，较慢地发生更换，但在遭受损伤后快速地增殖，从而再生肺泡内壁和恢复气体交换。”另一名论文共同作者为美国费城儿童医院儿科心脏病专家David B. Frank博士。
AEP展现出它们自己独特的一组基因并且含有独特的表观遗传标记。Morrisey实验室利用从小鼠AEP中获得的基因组信息鉴定出一种保守的被称作TM4SF1的细胞表面蛋白，并且利用这种蛋白从人肺部中分离出AEP。利用这种分离小鼠AEP和人AEP的能力，Morrisey团队随后培养出三维肺部类器官（lung organoid）。Morrisey说，“从我们的类器官培养系统中，我们能够证实AEP是一种进化上保守的肺泡祖细胞，它代表着人类肺部再生策略的一种新靶标。”
在下一步的研究中，Morrisey团队旨在研究流感导致的肺组织损伤和其他的肺部疾病模型，以确定AEP在何处和何时对急性肺损伤或更多的慢性疾病状态作出反应而发生增殖。
鉴于当前的流感严重程度，这项研究为人肺部再生提供了新的见解，并且为肺部再生提供新的重要的遗传通路和表观遗传通路。Morrisey团队如今正在探究这些分子通路中的哪些可能促进AEP在小鼠和人肺部中发挥功能，包括理解激活Fgf信号（小鼠AEP和人AEP中保守的关键通路之一）的药物是否可能促进肺部再生。
参考资料：
William J. Zacharias, David B. Frank, Jarod A. Zepp et al. Regeneration of the lung alveolus by an evolutionarily conserved epithelial progenitor. Nature, Published online: 28 February 2018, doi:10.1038/nature25786
汤楠实验室首次观察到肺泡发育过程并揭示肺泡上皮细胞分化机制
2018年2月6日2018 年 2 月 5 日，汤楠实验室在《Developmental cell》杂志上以封面的形式 发表 了题为“The strength of mechanical forces determines the differentiation of alveolar epithelial cells”的研究论文，首次阐述了肺泡发育过程及调控肺泡祖细胞分化的关键因素。
图为中国风的莲藕代表肺泡祖细胞，荷叶代表扁平的肺泡一型细胞，荷花代表立方体的肺泡二型细胞。封面由石孟利制作。
肺是人体进行气体交换的场所，其基本结构单元——肺泡是由扁平的肺泡一型细胞（alveolar type I cells, AT1）和立方体状的肺泡二型细胞（alveolar type II cells, AT2）组成的囊泡状结构。因此，正常的肺泡发育和肺泡祖细胞的分化对于人的生存和生活具有至关重要的作用。任何对肺泡发育的干扰都会导致严重的肺部疾病甚至新生儿出生致死。虽然通过解剖学和转基因小鼠的研究，人们发现了一些调控肺泡发育的相关基因，但是目前对于肺泡的正常发育过程及其决定肺泡祖细胞分化的相关机制仍然知之甚少。
上图总结了肺泡发育过程，羊水偏少会导致肺泡空腔减小和更多肺泡二型细胞的产生，抑制肺泡祖细胞的迁移则对导致更多肺泡一型细胞的产生。
在胚胎发育后期，囊泡状的肺泡开始在树枝状的终末气管末端形成。与此同时，肺泡祖细胞分化成肺泡一型细胞和肺泡二型细胞。由于肺泡发育过程即存在着明显囊泡形态的发生，又有细胞命运的改变，因此汤楠实验室的研究者运用实时动态成像的方法来直接观察复杂而精细的肺泡发育过程，通过建立了体外肺器官培养和活体观察肺发育两套的双光子动态成像系统, 对肺泡发育过程的实时观测。从而为研究调控肺泡发育的机制提供重要的线索。研究者发现，肺泡祖细胞的分化是受机械力的大小调控。通过将实时动态成像系统和谱系追踪手段相结合的实验方法，研究者发现在肺泡祖细胞开始分化之前，部分肺泡祖细胞会在成纤维细胞生长因子（Fibroblast GrowthFactors 10, FGF10）的诱导下，向基底侧伸出伪足。随后这部分祖细胞的细胞体迁移到终末气管基底侧（basal side）。随着胚胎发育，胚胎的呼吸运动开始增强, 羊水被吸入到终末气管中。这种呼吸运动对肺泡祖细胞产生机械力，从而导致没有迁移的那部分肺泡祖细胞被拉伸成扁平状并最终分化成肺泡一型细胞。而迁移的那部分肺泡祖细胞则因为其顶端（apical side）表面积的减小，以及顶端处富集肌动蛋白，从而可以抵抗胚胎呼吸运动产生的机械力，并维持了这些细胞的立方体细胞形态，最终这部分肺泡祖细胞分化成肺泡二型细胞。
该研究结果表明肺泡祖细胞的分化同时受到细胞生长因子和机械力的调控，这也提示我们体内干细胞的增殖分化等细胞行为既受各种各样的生长因子也受细胞所处的机械力环境调控。同时，该研究也解释患波特综合征（Poter’s Syndrome, 1:3000-1:5000 发病率）的新生儿肺发育缺陷的原因，为今后预防和治疗相关疾病提供指导。
北京生命科学研究所和中国农业大学联合培养博士李蛟为本文第一作者。该论文的其他作者还包括汤楠实验室王诤，姜克武，褚琦琦和李娟。汤楠博士为本文通讯作者。该研究由中国国家重点研究与发展项目资助，在北京生命科学研究所完成。
全球首例！同济团队成自体肺干细胞移植临床试验
2018年2月13日同济大学医学院左为教授团队在国际上率先利用成年人体肺干细胞移植技术，在临床上成功实现了人类肺脏再生，这一干细胞再生医学领域的重大突破性成果近日以封面文章形式发表于最新一期的Protein & Cell（《蛋白质与细胞》）杂志，标志着人体自身内脏器官的再生正逐步从实验室理论走向临床现实。
据了解，该研究论文的题目是“Regeneration of functional alveoli by adult human SOX9+ airway basal cell transplantation”（《成年人体SOX9阳性支气管基底层细胞移植再生功能性肺泡》）。在同期配发的评论文章中，美国德州医学中心的Jun Wu教授和中国科学院生物物理研究所刘光慧研究员对这一成果评价道：“该项研究所展示的基础及临床数据具有重大价值，展现出了再生医学令人激动的前景”。
图片来源：Protein & Cell
近年来，我国各种肺部疾病处于高发状态，对于该类疾病的患者来说，肺部组织一旦遭破坏而发生纤维化，病情往往持续发展而无法逆转。然而，传统的药物只能减缓其纤维化的进程，而随着干细胞研究逐渐成为全球医学研究的热点，其为肺部疾病患者带来了希望。
干细胞是具有组织再生修复能力的一类特殊细胞，在胚胎或成年人体器官内均有一定数量的存在，之前，左为曾在国外工作期间就发明了肺干细胞扩增和移植技术，相关成果发表于Nature杂志。2015年，左为带领团队继续开展这项研究，研究团队从肺病患者的支气管中无损刷取一些细胞，然后从这些细胞中筛选出干细胞，经过一段时间的培养和扩增，原本数十个干细胞慢慢变成几千几万直至上亿个。
为了验证肺干细胞的再植修复能力，左为团队将肺病患者肺干细胞培养出来的肺脏干细胞移植到小鼠受损的肺上，移植后三周观察发现，结果显示，人类肺干细胞已经融合进入小鼠肺组织中，进一步的组织学分析表明，移植后的干细胞成功在小鼠肺部再生出人支气管和肺泡结构，更值得一提的是，宿主的毛细血管环绕着再生的肺泡结构，这意味着，再生组织已经开始行使功能。此外，接受干细胞移植后，小鼠肺内纤维化损伤区域被新生的人体肺泡替代，小鼠的肺变得十分健康，几乎可称得上“重生”。
同时，研究团队也发现，成体干细胞在组织再生功能方面，是非常“专一”的：只有来自人体肺部支气管的成体干细胞才具有再生肺脏的功能，而来自肺部其它部位的干细胞，无论是上皮组织干细胞还是间充质干细胞，都不具备再生肺组织的功能。此外，研究人员还发现，如果将一种临床上抗肺纤维化的药物吡菲尼酮与肺干细胞一起应用于动物身上，可以进一步提升移植效率。
经过前期对细胞生产制备工艺流程的验证和动物试验数据的观察，经医院学术和伦理专家委员会审议修改后通过，2016年，左为团队在同济大学附属东方医院和解放军陆军军医大学附属西南医院同步开启了世界首个基于干细胞的肺脏再生临床试验，对2名患者进行了相关手术——将自身的肺干细胞通过支气管镜植入肺部。
根据上述刊登的研究论文中描述，这2名患者在接受移植一年之后，均自述咳嗽、咳痰和气喘等症状出现改善，CT影像学显示，其中一位患者的支气管扩张结构一年后呈现局部修复状况，肺功能检测提示移植干细胞一个月后肺功能尚未好转，而等到三个月之后各项肺功能开始出现好转，效果一直保持到一年之后。
具体主持此次临床研究的西南医院呼吸科教授戴晓天表示：“总体来看，这次干细胞移植效果是很成功的，特别是我们能观察到治疗后患者肺功能的逆转，这是传统治疗方法无法达到的效果。”
目前，在同济大学东方医院的呼吸科室，已有数位肺病患者接受了自体肺脏干细胞的移植。从这些患者支气管刷取出的几十个干细胞，在体外扩增数千万倍之后，被移植到他们肺部的病灶部位。经过3至6个月的增殖、迁移和分化，干细胞逐渐形成了新的肺泡和支气管结构，患者的肺换气能力、六分钟步行距离等指标得到不同程度的改善，成功实现了对患者肺部损伤组织的修复替代。
截止目前，左为团队一共开展了超过80例临床肺干细胞移植，涉及支气管扩张、慢阻肺和间质性肺病等不同的病种，这些患者的肺功能，特别是肺的弥散功能有比较明显的改善。
2017年3月，左为团队和任涛团队共同主导的“人自体支气管基底层细胞（肺干细胞）移植治疗间质性肺病临床研究”项目，已获批成为国家卫计委和食药监局首批备案的干细胞临床研究项目，团队计划在今年内启动细胞治疗产品新药申报（IND）流程。
本文综合整理自生物谷、北京生命科学研究所官网、同济大学官网及生物探索等。
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本文转自干细胞者说，本文综合整理自“生物谷、北京生命科学研究所官网、同济大学官网及生物探索等。