肺泡是肺部氣體交換的主要部位，正常成年人的肺臟中有數(shù)億個(gè)肺泡。當(dāng)疾病引發(fā)肺泡受損時(shí)，需要新生肺泡上皮干細(xì)胞才能修復(fù)。新生肺泡上皮干細(xì)胞從何而來(lái)？能否人為調(diào)控并用于疾病治療？

近日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院生命與健康科學(xué)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員周斌課題組的最新成果。研究通過(guò)開發(fā)一系列細(xì)胞示蹤新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了成體肺臟中新生肺泡上皮干細(xì)胞的再生起源，為特發(fā)性肺纖維化、肺炎、慢性阻塞性肺疾病等肺臟疾病的臨床治療提供了新治療靶點(diǎn)和重要研究基礎(chǔ)。

兩個(gè)“關(guān)鍵詞”檢索目標(biāo)細(xì)胞

如果將呼吸系統(tǒng)比作一棵樹，氣管就是樹干，支氣管則是樹枝。細(xì)支氣管末端的肺泡就像樹梢上的花，其中不同類型的上皮細(xì)胞暗藏玄機(jī)。

肺泡上皮主要由Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞和Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞構(gòu)成，分別起到指揮氣體交換和維持肺泡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞是肺泡上皮主要干細(xì)胞，在肺臟受損后，它不僅可以自我增殖，還可以轉(zhuǎn)化成Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞。

“Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞衰老和減少，可能會(huì)造成肺部纖維化、慢性阻塞性肺疾病等�！敝鼙笳f(shuō)，關(guān)于Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞的起源有多種說(shuō)法。有研究認(rèn)為，Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞也能轉(zhuǎn)化成Ⅱ型。還有研究認(rèn)為，在細(xì)支氣管中的棒狀細(xì)胞與細(xì)支氣管和肺泡交界處的支氣管肺泡干細(xì)胞，都可以逐漸遷移到肺泡組織中，形成Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞。

周斌解釋，這些關(guān)于Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞起源的研究發(fā)現(xiàn)，都基于單個(gè)基因標(biāo)記的細(xì)胞示蹤技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)就是將單重組酶系統(tǒng)設(shè)計(jì)到小鼠基因組上，追蹤肺臟中某一上皮細(xì)胞類型，觀察它的命運(yùn)轉(zhuǎn)變，研究其子代細(xì)胞的分化和增殖情況。

研究發(fā)現(xiàn)，之前追蹤Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞和棒狀細(xì)胞的單基因標(biāo)記技術(shù)，都存在對(duì)靶細(xì)胞標(biāo)記精準(zhǔn)度低的問題。“比如Cre-loxP重組酶系統(tǒng)，不僅會(huì)標(biāo)記Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞，也會(huì)少量標(biāo)記棒狀細(xì)胞和支氣管肺泡干細(xì)胞，乃至Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞�！敝鼙蟾嬖V記者，標(biāo)記不精準(zhǔn)，會(huì)干擾最終的研究結(jié)果，導(dǎo)致這些發(fā)現(xiàn)一直存在科學(xué)爭(zhēng)議。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，用單個(gè)基因標(biāo)記，就像是在搜索引擎中輸入一個(gè)關(guān)鍵詞。如果同時(shí)用兩個(gè)關(guān)鍵詞去搜索，得到的信息就是分別用兩個(gè)關(guān)鍵詞單獨(dú)檢索的信息的交集，結(jié)果肯定會(huì)更加準(zhǔn)確。”周斌說(shuō)。

2017年，周斌課題組首次開發(fā)出雙基因標(biāo)記介導(dǎo)的細(xì)胞示蹤技術(shù)。此后，課題組持續(xù)精選可用于標(biāo)記細(xì)胞的“關(guān)鍵詞”，開發(fā)了一系列細(xì)胞示蹤技術(shù)。相比單個(gè)基因標(biāo)記，新技術(shù)大大提高了對(duì)目標(biāo)細(xì)胞標(biāo)記精準(zhǔn)度。

找到調(diào)控細(xì)胞“變身”信號(hào)通路

究竟是哪種細(xì)胞在肺泡受損時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棰蛐头闻萆掀ぜ?xì)胞，參與維持肺泡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定？如果明確具體對(duì)象和機(jī)制，科研人員在應(yīng)對(duì)肺部疾病時(shí)就能掌握更多主動(dòng)權(quán)。

在此次研究中，課題組準(zhǔn)確追蹤了棒狀細(xì)胞、支氣管肺泡干細(xì)胞、Ⅰ型和Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞，為它們打上特異性標(biāo)記。結(jié)合小鼠肺臟損傷模型，他們發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞除了自我增殖外，還來(lái)源于支氣管肺泡干細(xì)胞和棒狀細(xì)胞，而不會(huì)來(lái)源于Ⅰ型肺泡上皮細(xì)胞，解決了相關(guān)研究領(lǐng)域多年的爭(zhēng)議。

“我們對(duì)標(biāo)記的細(xì)胞進(jìn)行體外分選、單細(xì)胞測(cè)序之后，觀察了它們內(nèi)部信號(hào)通路的變化�！闭撐墓餐�第一作者、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院生命與健康科學(xué)學(xué)院副研究員劉擴(kuò)介紹，他們觀察到其中有條Notch信號(hào)通路，在細(xì)胞轉(zhuǎn)變過(guò)程中反應(yīng)明顯。

論文共同第一作者、中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞卓越中心博士生劉子鑫說(shuō)，這些細(xì)胞中，每個(gè)細(xì)胞能測(cè)出2000到3000個(gè)基因，細(xì)胞通路很復(fù)雜，一個(gè)基因可能參與多條通路。課題組優(yōu)先篩選了100條通路，再?gòu)闹羞x出Notch信號(hào)通路，在小鼠體內(nèi)對(duì)Notch信號(hào)通路進(jìn)行了敲除對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證它的功能。

課題組創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)了棒狀細(xì)胞和支氣管肺泡干細(xì)胞在向Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，具有不同的細(xì)胞分化路徑，并受Notch信號(hào)通路調(diào)控。Notch信號(hào)通路被抑制后，會(huì)減少棒狀細(xì)胞向Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，反之則會(huì)促進(jìn)支氣管肺泡干細(xì)胞向Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化。

“雙基因標(biāo)記介導(dǎo)的細(xì)胞示蹤技術(shù)可以廣泛用于器官發(fā)育和再生研究，為發(fā)育生物學(xué)、再生醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)等眾多領(lǐng)域研究提供了新技術(shù)方法。”周斌說(shuō)，未來(lái)或許能通過(guò)特定藥物刺激Notch信號(hào)通路，控制氣管肺泡干細(xì)胞轉(zhuǎn)分化，維持肺泡功能，從而治療肺臟疾病。