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《科学》大发现!斯坦福大学鉴定出一种新型肺干细胞!为了人类雾霾天的正常呼吸!

引言

近日,最新一期著名学术期刊《科学》杂志发表了一篇来自斯坦福大学的重磅研究,他们在肺泡上皮细胞中鉴定出Wnt信号通路激活一小群细胞是肺干细胞,为肺部相关疾病的治疗带来了希望。


没有呼吸,就没有高等生命,人类的心脏要时刻不停地跳动,则要归功于人体的呼吸器官-肺(lung)。

肺部疾病是人类最常见的疾病之一,其发病率及病死率均较高。

慢性肺部疾病,如慢性阻塞性肺疾病、肺间质纤维化等,目前,在其终末期行肺移植是有效的治疗方法。

但由于供体数量不能满足需求,术后需要免疫抑制治疗,以及存在慢性排斥、潜在疾病传播等原因,肺移植手术的开展受到很大的限制。利用机体本身的再生能力或者应用药物等手段激活机体的再生潜力是许多疾病治疗的理想方法。

近年来,再生医学研究已经成为医学研究领域的热点之一,应用组织工程技术构建组织工程肺来替代移植肺组织已经成为治疗的新选择和研究方向。

再生,自然是离不开干细胞的!

▲斯坦福大学的研究者们在《科学》杂志上面发表的文章

最新一期著名学术期刊《科学》杂志发表了一篇来自斯坦福大学的重磅研究,他们在肺泡上皮细胞中鉴定出Wnt信号通路激活的亚群细胞是一群肺干细胞,为肺部相关疾病的治疗带来了希望【1】。


▶肺干细胞◀

肺脏有独特的气血交换功能,分为呼吸部和换气部。呼吸部主要包括气管、支气管、细支气管,换气部主要是肺泡。不同解剖结构对应的干细胞维持着各部分结构和功能的稳定。

目前,已经在肺脏组织中发现了具有分化为肺脏组织的多种肺干细胞,来源于多种细胞【2】:

1. 基底上皮细胞来源;

2. Clara细胞来源;

3. 细支气管肺泡干细胞;

4. 肺泡上皮细胞来源;

5. 侧群细胞来源

因此,目前发现的肺干细胞主要来源于上述五个方面。

然而,在上面列举的细胞来源中,比如肺泡上皮细胞有多种类型,但是究竟其中的哪类细胞或者说哪种分子标记的细胞是真正的肺干细胞呢?科学家们一直没有搞清楚。


▶肺泡上皮来源干细胞◀

众所周知,肺泡(alveolus,复数alveoli)是肺部气体交换的主要部位,是肺的基本功能单位,其是由单层上皮细胞构成的半球状囊泡。肺中的支气管经多次反复分枝成无数细支气管,它们的末端膨大成囊,囊的四周有很多突出的小囊泡,即为肺泡。肺泡的大小形状不一,平均直径0.2毫米。成人约有7亿多个肺泡,总面积近100平方米,全部展开大约有50个乒乓球桌那么大,比人的皮肤的表面积还要大好几倍。

展开有一套房子这么大的肺泡,实际上主要由肺泡上皮细胞(alveolarepithelial cell)组成,而肺泡上皮细胞则由两种形态学上不同的细胞构成,即 I 型肺泡上皮细胞(alveolar type 1 cells, AT1)和 II 型肺泡上皮细胞(alveolar type 2 cells, AT2)。

其中,II 型肺泡上皮细胞(AT2)虽占肺细胞总数的16%,但只覆盖肺泡表面积的5%,可见AT2的功能并不是以气体交换为主。自从发现AT2在肺损伤后起重要的修复作用后,AT2就被认为是肺泡上皮中的干细胞。确实,目前有关学者普遍承认肺泡II 型细胞是肺泡细胞的干细胞,因为它既可以分化为 I 型肺泡上皮细胞(AT1),也可以通过有丝分裂产生子代AT2,以维持自身的细胞群【3】。

然而,并非每一个AT2细胞都是干细胞,都能够分化成AT1以及自我更新,因此,究竟AT2中的哪一类细胞具有干细胞功能呢?

这正是来自斯坦福大学的这支研究团队在《科学》上面要阐述的问题。


▶Wnt激活的AT2是干细胞◀

前面也讲了,究竟肺泡中的AT2细胞中的哪一亚群是真正的肺干细胞呢?

斯坦福大学的Mark A. Krasnow教授和Tushar J. Desai博士领导的研究团队对这一问题进行了深入探索,结果发现AT2中的Wnt信号通路激活的细胞是才是真正的干细胞。

▲领导这项研究的斯坦福大学的Mark A. Krasnow教授(左)和Tushar J. Desai博士(右)

研究者们是怎么发现的呢?

众所周知,Wnt信号通路在很多干细胞中都是激活的,而通常情况下,几乎所有的AT2细胞的Wnt信号通路都没激活,因此,研究者们就想,我们在AT2细胞中激活Wnt通路来看看结果会怎样呢?AT2会具有干细胞特性吗?

因此,研究者们使用遗传小鼠模型(一种是Axin2-Cre-ERT2小鼠,一种是报告小鼠Cre reporter Rosa26mTmG,两个一杂交,后代就相当于敲入了Axin2基因,由于Axin2是Wnt信号通路的靶基因,表达Axin2基因就相当于Wnt信号通路激活了)来研究这一问题。

▲Wnt信号通路激活的AT2细胞只占所有AT2细胞的很少一部分(图片来自Science)

研究者们发现,Wnt信号通路激活的AT2细胞只占所有AT2细胞的很少一部分(0.97%)。

研究者们进一步研究这一小群Wnt信号通路激活的AT2细胞发现,它们表现出了干细胞特征:

一方面,绝大多数AT2细胞都是出于静息状态(quiescent),然而,这一群Wnt信号通路激活的AT2细胞则绝大多数都能够在体内分裂增殖形成克隆,并且,研究者们还直接观察到了这群细胞的分裂(dividing);


另一方面,研究者们在小鼠体内追踪了一年的这群细胞,发现这群细胞在一年之内增殖了6倍;


第三,这群细胞能够分化成AT1细胞。

因此,这一Wnt信号通路激活的亚群AT2细胞才是真正的肺干细胞!

▲Wnt信号通路激活的AT2细胞具有干细胞特性:能够分裂增殖,形成细胞克隆,而绝大多数AT2细胞则不能够分裂增殖(图片来自Science)


▶辅政大臣:成纤维细胞◀

既然Wnt信号通路激活的AT2细胞是干细胞,那么,问题就来了,是什么原因导致一小部分AT2细胞的Wnt信号通路激活的呢?(需要注意的是:前面研究者们使用的是遗传动物模型,通过Cre系统导入Axin2基因来激活Wnt信号通路的,正常体内的AT2细胞是没有Wnt信号激活的)。

一定还有帮助AT2细胞激活Wnt信号通路的东西存在。

研究者们把注意力聚焦到了同时存在于肺泡中的成纤维细胞上面,尽管成纤维细胞在肺泡中较少,但是此前也有研究发现成纤维细胞和AT2细胞相互接触,因此其可能扮演重要作用。

▲Pdgfrα阳性的成纤维细胞表达较多的Wnt5a(图片来自Science)

果不其然,研究者们通过单细胞RNA测序发现一类成纤维细胞,即Pdgfrα表达阳性的成纤维细胞能够表达较多的Wnt信号通路分子Wnt5a。

研究者们近一步研究,紧挨着成纤维细胞分泌的Wnt5a的AT2细胞能够出现Wnt信号通路激活,而远离Wnt5a的AT2细胞则不能。

▲Pdgfrα阳性的成纤维细胞分泌的Wnt5a能够激活AT2细胞中的Wnt通路,使之成为肺干细胞(图片来自Science)

因此,这种Pdgfrα表达阳性的成纤维细胞确实能够激活AT2细胞的Wnt通路,使之成为肺部的干细胞,这就像古时候的辅政大臣,没有他们的帮助,一般情况下小皇上根本没有办法理清朝政,需要辅助大臣的帮助才行。

研究者们还进一步在遗传动物模型中深入研究了当肺泡上皮受到损伤的情况,发现这些Wnt通路激活的干细胞能够分裂增殖来修复损伤。


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    《科学》大发现!斯坦福大学鉴定出一种新型肺干细胞!为了人类雾霾天的正常呼吸!

    引言

    近日,最新一期著名学术期刊《科学》杂志发表了一篇来自斯坦福大学的重磅研究,他们在肺泡上皮细胞中鉴定出Wnt信号通路激活一小群细胞是肺干细胞,为肺部相关疾病的治疗带来了希望。


    没有呼吸,就没有高等生命,人类的心脏要时刻不停地跳动,则要归功于人体的呼吸器官-肺(lung)。

    肺部疾病是人类最常见的疾病之一,其发病率及病死率均较高。

    慢性肺部疾病,如慢性阻塞性肺疾病、肺间质纤维化等,目前,在其终末期行肺移植是有效的治疗方法。

    但由于供体数量不能满足需求,术后需要免疫抑制治疗,以及存在慢性排斥、潜在疾病传播等原因,肺移植手术的开展受到很大的限制。利用机体本身的再生能力或者应用药物等手段激活机体的再生潜力是许多疾病治疗的理想方法。

    近年来,再生医学研究已经成为医学研究领域的热点之一,应用组织工程技术构建组织工程肺来替代移植肺组织已经成为治疗的新选择和研究方向。

    再生,自然是离不开干细胞的!

    ▲斯坦福大学的研究者们在《科学》杂志上面发表的文章

    最新一期著名学术期刊《科学》杂志发表了一篇来自斯坦福大学的重磅研究,他们在肺泡上皮细胞中鉴定出Wnt信号通路激活的亚群细胞是一群肺干细胞,为肺部相关疾病的治疗带来了希望【1】。


    ▶肺干细胞◀

    肺脏有独特的气血交换功能,分为呼吸部和换气部。呼吸部主要包括气管、支气管、细支气管,换气部主要是肺泡。不同解剖结构对应的干细胞维持着各部分结构和功能的稳定。

    目前,已经在肺脏组织中发现了具有分化为肺脏组织的多种肺干细胞,来源于多种细胞【2】:

    1. 基底上皮细胞来源;

    2. Clara细胞来源;

    3. 细支气管肺泡干细胞;

    4. 肺泡上皮细胞来源;

    5. 侧群细胞来源

    因此,目前发现的肺干细胞主要来源于上述五个方面。

    然而,在上面列举的细胞来源中,比如肺泡上皮细胞有多种类型,但是究竟其中的哪类细胞或者说哪种分子标记的细胞是真正的肺干细胞呢?科学家们一直没有搞清楚。


    ▶肺泡上皮来源干细胞◀

    众所周知,肺泡(alveolus,复数alveoli)是肺部气体交换的主要部位,是肺的基本功能单位,其是由单层上皮细胞构成的半球状囊泡。肺中的支气管经多次反复分枝成无数细支气管,它们的末端膨大成囊,囊的四周有很多突出的小囊泡,即为肺泡。肺泡的大小形状不一,平均直径0.2毫米。成人约有7亿多个肺泡,总面积近100平方米,全部展开大约有50个乒乓球桌那么大,比人的皮肤的表面积还要大好几倍。

    展开有一套房子这么大的肺泡,实际上主要由肺泡上皮细胞(alveolarepithelial cell)组成,而肺泡上皮细胞则由两种形态学上不同的细胞构成,即 I 型肺泡上皮细胞(alveolar type 1 cells, AT1)和 II 型肺泡上皮细胞(alveolar type 2 cells, AT2)。

    其中,II 型肺泡上皮细胞(AT2)虽占肺细胞总数的16%,但只覆盖肺泡表面积的5%,可见AT2的功能并不是以气体交换为主。自从发现AT2在肺损伤后起重要的修复作用后,AT2就被认为是肺泡上皮中的干细胞。确实,目前有关学者普遍承认肺泡II 型细胞是肺泡细胞的干细胞,因为它既可以分化为 I 型肺泡上皮细胞(AT1),也可以通过有丝分裂产生子代AT2,以维持自身的细胞群【3】。

    然而,并非每一个AT2细胞都是干细胞,都能够分化成AT1以及自我更新,因此,究竟AT2中的哪一类细胞具有干细胞功能呢?

    这正是来自斯坦福大学的这支研究团队在《科学》上面要阐述的问题。


    ▶Wnt激活的AT2是干细胞◀

    前面也讲了,究竟肺泡中的AT2细胞中的哪一亚群是真正的肺干细胞呢?

    斯坦福大学的Mark A. Krasnow教授和Tushar J. Desai博士领导的研究团队对这一问题进行了深入探索,结果发现AT2中的Wnt信号通路激活的细胞是才是真正的干细胞。

    ▲领导这项研究的斯坦福大学的Mark A. Krasnow教授(左)和Tushar J. Desai博士(右)

    研究者们是怎么发现的呢?

    众所周知,Wnt信号通路在很多干细胞中都是激活的,而通常情况下,几乎所有的AT2细胞的Wnt信号通路都没激活,因此,研究者们就想,我们在AT2细胞中激活Wnt通路来看看结果会怎样呢?AT2会具有干细胞特性吗?

    因此,研究者们使用遗传小鼠模型(一种是Axin2-Cre-ERT2小鼠,一种是报告小鼠Cre reporter Rosa26mTmG,两个一杂交,后代就相当于敲入了Axin2基因,由于Axin2是Wnt信号通路的靶基因,表达Axin2基因就相当于Wnt信号通路激活了)来研究这一问题。

    ▲Wnt信号通路激活的AT2细胞只占所有AT2细胞的很少一部分(图片来自Science)

    研究者们发现,Wnt信号通路激活的AT2细胞只占所有AT2细胞的很少一部分(0.97%)。

    研究者们进一步研究这一小群Wnt信号通路激活的AT2细胞发现,它们表现出了干细胞特征:

    一方面,绝大多数AT2细胞都是出于静息状态(quiescent),然而,这一群Wnt信号通路激活的AT2细胞则绝大多数都能够在体内分裂增殖形成克隆,并且,研究者们还直接观察到了这群细胞的分裂(dividing);


    另一方面,研究者们在小鼠体内追踪了一年的这群细胞,发现这群细胞在一年之内增殖了6倍;


    第三,这群细胞能够分化成AT1细胞。

    因此,这一Wnt信号通路激活的亚群AT2细胞才是真正的肺干细胞!

    ▲Wnt信号通路激活的AT2细胞具有干细胞特性:能够分裂增殖,形成细胞克隆,而绝大多数AT2细胞则不能够分裂增殖(图片来自Science)


    ▶辅政大臣:成纤维细胞◀

    既然Wnt信号通路激活的AT2细胞是干细胞,那么,问题就来了,是什么原因导致一小部分AT2细胞的Wnt信号通路激活的呢?(需要注意的是:前面研究者们使用的是遗传动物模型,通过Cre系统导入Axin2基因来激活Wnt信号通路的,正常体内的AT2细胞是没有Wnt信号激活的)。

    一定还有帮助AT2细胞激活Wnt信号通路的东西存在。

    研究者们把注意力聚焦到了同时存在于肺泡中的成纤维细胞上面,尽管成纤维细胞在肺泡中较少,但是此前也有研究发现成纤维细胞和AT2细胞相互接触,因此其可能扮演重要作用。

    ▲Pdgfrα阳性的成纤维细胞表达较多的Wnt5a(图片来自Science)

    果不其然,研究者们通过单细胞RNA测序发现一类成纤维细胞,即Pdgfrα表达阳性的成纤维细胞能够表达较多的Wnt信号通路分子Wnt5a。

    研究者们近一步研究,紧挨着成纤维细胞分泌的Wnt5a的AT2细胞能够出现Wnt信号通路激活,而远离Wnt5a的AT2细胞则不能。

    ▲Pdgfrα阳性的成纤维细胞分泌的Wnt5a能够激活AT2细胞中的Wnt通路,使之成为肺干细胞(图片来自Science)

    因此,这种Pdgfrα表达阳性的成纤维细胞确实能够激活AT2细胞的Wnt通路,使之成为肺部的干细胞,这就像古时候的辅政大臣,没有他们的帮助,一般情况下小皇上根本没有办法理清朝政,需要辅助大臣的帮助才行。

    研究者们还进一步在遗传动物模型中深入研究了当肺泡上皮受到损伤的情况,发现这些Wnt通路激活的干细胞能够分裂增殖来修复损伤。