研究團隊揭示百草枯損傷肺上皮再生程序

近日，NIBS/清華大學湯楠及浙江大學/南京醫科大學陳靜瑜在線發表了最新研究論文，該研究分析了一名攝入百草枯的18歲女性患者的肺實質樣本，該患者在中毒后第34天接受了雙肺移植。研究發現在百草枯損傷的人肺中，出現了上皮祖細胞的異常分化并伴隨著缺氧微環境。

組織學分析顯示，百草枯毒性嚴重破壞了肺泡結構。在百草枯損傷的肺中，PDPN+肺泡1型(AT1)上皮細胞缺失，而proSPC+肺泡2型(AT2)上皮細胞顯著減少。相反，這些區域充滿α-SMA+肌成纖維細胞。存活的proSPC+ AT2細胞主要聚集在百草破損傷肺的周圍，少數分散在遠端氣道周圍。為了研究嚴重損傷肺的修復程序，作者進行了單細胞RNA測序(scRNA-seq)分析。共獲得了19,171個轉錄組的全面收集，這些轉錄組被注釋為四種廣泛的細胞類型組：EPCAM+上皮細胞(n = 4120)， DCN+基質細胞(n = 2491)， PTPRC+免疫細胞(n = 10,431)和CDH5+內皮細胞(n = 2129)。基于典型譜系標記和個體細胞類型的不同分子特征，在百草枯損傷的肺中共鑒定出45種細胞類型/狀態。

EPCAM+上皮細胞的無偏聚類分析揭示了十個不同的亞群。與免疫染色結果一致，沒有PDPN+ AT1細胞群，表明百草枯損傷肺中完全失去了氣體交換單位。這10個亞群包括SFTPC+ AT2細胞和氣道上皮細胞的9個亞群，后者包括7種經典定義的細胞類型(基底細胞、MUC5AChigh杯狀細胞、SAAhigh杯狀細胞、scgb1a11low杯狀細胞、棒狀細胞、纖毛細胞和肺神經內分泌細胞)和兩種中間狀態(分化基底細胞和分化棒狀細胞)。分化的基底細胞同時表達基底細胞標記物(KRT5和KRT15)和杯狀細胞標記物(SERPINB3、SERPINB4和CLCA2) ，表明它們是杯狀細胞的祖細胞。新鑒定的分化俱樂部細胞表達俱樂部細胞(SCGB3A2和SCGB1A1)和杯狀細胞(MUC5B)的標記物。鑒于杯狀細胞被認為是終末分化的細胞類型，正在分化的俱樂部細胞可能代表俱樂部細胞向杯狀細胞分化的中間階段。

在健康供肺中，EPCAM+上皮細胞包括肺泡上皮細胞(AT1和AT2細胞)和氣道上皮細胞，肺泡上皮細胞占EPCAM+細胞總數的40%以上。然而，在百草枯損傷的肺中，肺泡上皮細胞（AT2細胞群）的比例顯著下降至9.4%，而氣道上皮細胞的比例則增加到90.6%。具體而言，氣道干/祖細胞的比例，包括基底細胞(27.4%)、俱樂部細胞(17.5%)、分化基底細胞(7.4%)和分化俱樂部細胞(4.7%)，顯著增加。這些發現表明，百草枯損傷的肺經歷了積極的氣道修復程序，但肺泡修復程序不充分。

研究分析顯示，基底細胞具有更高的分化基底細胞的傾向。俱樂部細胞可以通過分化的俱樂部細胞分化為杯狀細胞，這支持了俱樂部細胞分化為杯狀細胞的中間階段的觀點。先前利用小鼠肺損傷模型的研究表明，氣道祖細胞可以分化為AT2和AT1細胞。然而，分析顯示，在百草枯損傷的肺中，基底細胞、分化的基底細胞和俱樂部細胞分化為AT2細胞的概率有限。相反，在百草枯損傷的肺中，AT2細胞表現出更高的分化為俱樂部細胞的傾向。綜上所述，這些結果表明，副損傷肺中的AT2細胞和氣道干/祖細胞再生肺泡上皮的能力顯著降低，最終導致氣體交換單位的不可逆轉損失。

該研究通過實驗證明，百草枯損傷肺上皮再生程序。百草枯中毒后大量細胞死亡，導致免疫細胞顯著浸潤，氣體交換單元喪失，肺纖維化，導致肺組織廣泛缺氧微環境。這種微環境可能通過激活NOTCH信號和破壞氣道和肺泡干細胞/祖細胞的分化來促進異常修復程序，從而加劇肺組織損傷。該研究結果表明，肺移植可能是嚴重百草枯中毒患者唯一可行的治療方法。重要的是，作者研究強調了適當的微環境在再生功能肺泡單位中的關鍵作用，這取決于新形成的AT1細胞的分化。由于缺氧是嚴重肺部疾病的共同特征，未來針對缺氧肺微環境的治療策略，如減少缺氧或抑制NOTCH信號，可能有望治療嚴重肺損傷。