撰文│赵子贤
编辑│郑天慧
审校│汤红明
【据《Cell Proliferation》2020年10月报道】题：单细胞测序技术鉴定新冠肺炎患者的肺前体细胞（作者赵子贤等）。新型冠状病毒感染导致的肺脏组织结构破坏，往往进展为严重的呼吸窘迫综合征 (Acute respiratory distress syndrome，ARDS)并最终导致呼吸衰竭，此为各类病毒性重症肺炎患者死亡的最根本原因。病理学研究显示，ARDS的发病机制主要是冠状病毒攻击肺泡细胞之后诱发的免疫反应；免疫细胞浸润导致肺泡血管内皮结构破坏，使血浆、血浆蛋白和血细胞涌入肺间质和肺泡腔，形成肺水肿；由于肺泡上皮组织被破坏，水肿液大量涌入肺泡内，导致肺泡弥散功能受限，无法行使正常呼吸功能；同时，随着组织损伤的加剧，细胞进一步释放各类炎性因子形成所谓“细胞因子风暴(cytokine storm)”；最后彻底摧毁肺内大部分的肺泡和支气管呼吸结构，使得通气-血流比例严重失调，导致顽固的低氧血症以及最终患者的死亡。一些病人在肺部损伤后会完全恢复肺部功能，但新冠肺炎患者中肺部的再生修复机制和关键因素目前尚不明确，为此研究人员转而把目光投向了肺脏干细胞上，希望以此来研究新冠肺炎患者肺部的再生修复机制。同济大学医学院左为课题组揭示了干细胞可能参与新冠肺炎患者肺部再生修复机制，该成果发表在2020年10月的Cell Proliferation上。课题组在之前的研究中已经证实了人肺脏中存在KRT5/P63双阳性细胞，这群细胞具有自我更新并分化成为不同类型成熟肺脏细胞的潜能。同时也有文献报道肺脏中的TM4SF1阳性的细胞可以再生受损的支气管和肺泡组织。研究者认为研究肺干细胞在新冠肺炎患者肺部上皮组织所发挥的再生修复作用，如肺泡细胞的再生和上皮屏障的重新构建等，或许能揭示新冠肺炎患者肺部组织再生的机理；从而利用肺干细胞快速修复损伤的肺泡和支气管结构，进而重建稳定的气-血循环，改善血氧分压和氧饱和度，最终最大可能地挽救患者生命。这是从组织再生修复的病因学角度着手治疗病毒性肺炎的新思路。课题组首先从生物信息学的角度入手，利用单细胞RNA测序分析技术，对新冠肺炎患者的支气管肺泡灌洗液（Bronchoalveolar lavage fluid，BALF）中的细胞组成情况进行分析。BALF收集可以提供整个下呼吸道的重要信息，是一种很有效的取材方法，通过对轻度症状和重度症状的新冠肺炎病人以及健康人的BALF上皮细胞进行了分析和比较（图1），发现相对于轻度症状的患者和健康人，重症新冠肺炎患者的BALF中，有显著增多的两群肺干细胞，分别为TM4SF1阳性和KRT5阳性。同时也存在更多的肺泡上皮细胞。为了研究这两群肺干细胞在新冠肺炎患者体内所发挥的作用，研究团队首先研究了TM4SF1阳性的干细胞。通过检测TM4SF1阳性细胞中成熟Ⅰ型肺泡上皮细胞表面标志物的表达情况，轻症和重症的新冠肺炎患者与健康人对比显示重症新冠肺炎患者肺部TM4SF1阳性的干细胞有更高的比例共表达成熟Ⅰ型肺泡上皮细胞表面标志物，表明TM4SF1阳性的干细胞在新冠肺炎患者的体内可能参与肺泡的再生和修复过程，即TM4SF1阳性的干细胞分化成为成熟的肺泡上皮细胞。 图1 健康人与重症新冠肺炎患者BALF上皮细胞对比同时，对KRT5阳性细胞的特征基因做了Gene ontology（GO）基因富集分析，进一步研究了重症新冠肺炎患者肺部增多的KRT5阳性干细胞的作用。结果显示KRT5阳性细胞可以被新冠肺炎患者肺部的低氧情况激活，参与到呼吸上皮系统的再生。同时KRT5阳性的细胞高表达许多与组织完整性相关的基因，如CLAUDIN1、CLAUDIN4、TJP1、STRATIFIN、AQP3 和 SCNN1A。这些基因与上皮组织屏障的构建、细胞间连接的紧密、流体稳态的维持和阻止白细胞介导的细胞毒素这些生物学过程相关，结果显示KRT5阳性的细胞可以参与上皮细胞屏障的构建和阻止免疫细胞的浸润。为了进一步明确KRT5阳性细胞在肺组织损伤后起到的再生修复作用，研究者构建了稳定的体外分离并扩增培养体系，可以稳定的传代和扩增KRT5阳性的细胞，并将培养好的KRT5阳性的干细胞用GFP荧光蛋白标记好之后移植到了肺部损伤的小鼠肺脏，探究KRT5阳性的细胞对肺组织损伤所发挥的作用。结果发现，KRT5阳性细胞在移植90天之后也可以大面积的定植和整合到小鼠受损的肺脏组织（图2）。 图2 GFP阳性的肺干细胞（绿）移植到小鼠受损的肺脏 对移植的小鼠肺脏组织做单细胞转录组测序，发现移植KRT5阳性的干细胞可以分化成肺泡屏障细胞（alveolar barrier cells，ABCs），修复破损的肺泡屏障细胞，从而避免破损的肺泡细胞受到免疫细胞的浸润，对肺脏组织的免疫荧光染色进一步证实了该结果。进一步研究发现，重症新冠肺炎患者的BALF中有着更多的肺泡屏障细胞的再生，KRT5阳性的干细胞在肺泡结构破损后受到了缺氧的刺激，从而调控其向肺泡屏障细胞的方向分化并修复再生破损的结构。这些结果明确了KRT5阳性的干细胞在肺组织损伤后起到的再生修复作用。 图3 新冠病毒感染后干细胞参与的再生修复机制的示意图该研究发现感染新冠肺炎后，重症患者BALF中会显著增多两群肺干细胞：一种KRT5阳性的干细胞分化成肺泡屏障细胞修复破损的结构，避免免疫细胞的浸润；另一种TM4SF1阳性的干细胞可再生成有功能的肺泡细胞。两种肺干细胞在急性损伤下可以协同作用，完成肺泡组织结构的修复和再生（图3），这可能是重症新冠肺炎患者体内肺泡上皮细胞再生修复的机制。该研究揭示了新冠肺炎患者肺部干细胞可能的参与再生修复机制，对于后续利用干细胞从组织再生修复的病因学角度着手治疗新冠肺炎、乃至病毒性肺炎具有启发意义。当然，上述基于生物信息学分析的结果还有待于更多的后续深入研究论证。