深圳子科生物報(bào)道：2019年12月19日，北京生命科學(xué)研究所/清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院湯楠實(shí)驗(yàn)室在《Cell》雜志在線發(fā)表了題為 “Progressive pulmonary fibrosis is caused by elevated mechanical-tension on alveolar stem cells” 的研究論文。作者建立了世界上首個(gè)IPF小鼠疾病模型，并進(jìn)一步闡明：肺泡再生障礙導(dǎo)致肺泡干細(xì)胞暴露于持續(xù)升高的機(jī)械張力，是誘發(fā)肺纖維化從肺葉邊緣起始并不斷向肺中心進(jìn)行性發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

特發(fā)性肺纖維化(Idiopathic Pulmonary Fibrosis, IPF)是一種常見(jiàn)的肺泡疾病，肺健康組織被過(guò)量的間質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)逐漸取代，導(dǎo)致肺泡結(jié)構(gòu)被破壞、肺泡區(qū)域逐漸致密化，最終導(dǎo)致呼吸衰竭和死亡。IPF患者診斷的中位生存時(shí)間為2-4年, 約80%的患者從確診到死亡不超過(guò)5年，五年生存率僅高于胰腺癌和肺癌，因而被無(wú)奈地稱(chēng)作“不是癌癥的癌癥”。因?yàn)镮PF發(fā)病年齡大多在50-70歲之間，隨著人口的老齡化，在全球范圍內(nèi)，該疾病的發(fā)病率越來(lái)越高，世界IPF聯(lián)合協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，大約有320萬(wàn)人患IPF，每年新增122萬(wàn)病例。

基于影像學(xué)及病理組織學(xué)的數(shù)據(jù)，IPF的主要特征為肺泡間質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行性地增生和富集，其中，進(jìn)行性是指纖維化病變由邊緣起始并向中心不斷蔓延的過(guò)程，最終導(dǎo)致呼吸功能的衰竭，同時(shí)也是IPF最為致命的特征。由于缺乏模仿IPF疾病進(jìn)行性發(fā)展的動(dòng)物模型，該疾病的發(fā)病原因及分子機(jī)制目前仍不清楚, 因此沒(méi)有有效的治療進(jìn)行性肺纖維化和延長(zhǎng)生存時(shí)間的方法。研究疾病發(fā)生和發(fā)展的機(jī)制是開(kāi)發(fā)治療疾病的新方法的關(guān)鍵。

湯楠實(shí)驗(yàn)室一直致力于探究肺損傷后肺泡再生的調(diào)控機(jī)制。該實(shí)驗(yàn)室前期建立了左肺切除（Pneumonectomy, PNX）誘導(dǎo)肺泡再生的小鼠模型。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，左肺切除手術(shù)后剩余肺泡（右肺）被暴露于升高的呼吸張力下，因此激活了肺泡干細(xì)胞的增殖和分化，最終新肺泡的建立，呼吸功能的恢復(fù)，肺泡區(qū)域的呼吸張力恢復(fù)到正常生理水平。

湯楠實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期調(diào)控蛋白Cdc42在肺泡再生過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。Cdc42基因缺失的肺泡干細(xì)胞在肺損傷后無(wú)法建立新的肺泡，導(dǎo)致了升高的肺泡張力無(wú)法恢復(fù)到正常生理水平。當(dāng)研究人員繼續(xù)追蹤該肺泡再生障礙小鼠（Cdc42 肺泡干細(xì)胞null小鼠）時(shí)，發(fā)現(xiàn)小鼠的肺部發(fā)生纖維化病變，同時(shí)病程模擬了IPF的疾病發(fā)展。具體表現(xiàn)如下：1）小鼠肺纖維化進(jìn)展從肺葉邊緣起始并不斷向肺葉中心進(jìn)行；2）肺泡逐步被過(guò)度增殖的成纖維細(xì)胞和增加的細(xì)胞外基質(zhì)所替代；3）小鼠肺活量和肺順應(yīng)性進(jìn)行性下降，小鼠最終死于呼吸功能衰竭。同時(shí)，在老年Cdc42 null小鼠里，研究人員也能觀察到同樣的病理改變。

通過(guò)單細(xì)胞測(cè)序分析，研究人員發(fā)現(xiàn)肺纖維化的小鼠肺部富集了一群肺泡干細(xì)胞亞群。進(jìn)一步的生物信息分析表明該干細(xì)胞亞群是肺泡干細(xì)胞分化過(guò)程中的一種中間態(tài)。通過(guò)和IPF病人肺泡干細(xì)胞單細(xì)胞測(cè)序數(shù)據(jù)庫(kù)的比較，研究人員發(fā)現(xiàn)：1）小鼠模型中激活的肺泡干細(xì)胞亞群里上調(diào)的基因與IPF病人的肺泡干細(xì)胞中上調(diào)的基因有高度重疊；2）小鼠肺泡干細(xì)胞亞群和IPF病人肺泡干細(xì)胞中都有顯著升高的機(jī)械張力相關(guān)信號(hào)通路和TGFbeta信號(hào)通路。

與IPF相似的發(fā)病模式以及高度重疊的上調(diào)基因讓研究人員猜想：機(jī)械張力相關(guān)的信號(hào)通路和TGFbeta信號(hào)通路可能共同參與了IPF發(fā)病。為了探究這個(gè)猜想，研究人員首先將假體置于左肺切除手術(shù)（PNX）后的Cdc42 null小鼠胸腔中，進(jìn)而緩解了PNX誘導(dǎo)的肺泡呼吸張力的增加，結(jié)果發(fā)現(xiàn)假體的植入可以顯著抑制肺纖維化的進(jìn)展。另一方面，研究人員在Cdc42缺失的肺泡干細(xì)胞中，通過(guò)對(duì)TGFbeta信號(hào)通路進(jìn)行干擾（分別干擾配體和受體），發(fā)現(xiàn)在Cdc42 null的再生障礙的小鼠中，阻斷AT2細(xì)胞中的TGFbeta信號(hào)通路可以顯著阻止肺纖維化的進(jìn)展。

在臨床研究中，醫(yī)生們通過(guò)影像學(xué)掃描觀測(cè)到IPF病人纖維化的發(fā)病模式是從肺葉邊緣到中心，并把該特征作為IPF的關(guān)鍵診斷標(biāo)準(zhǔn)。但是，為什么肺纖維化會(huì)起始于肺邊緣和為什么纖維化是進(jìn)行性，相關(guān)的發(fā)病機(jī)制卻完全不清楚，這也是在本研究之前沒(méi)有一個(gè)真實(shí)模仿IPF小鼠模型的關(guān)鍵?；诖耍芯咳藛T采用機(jī)械通氣手段對(duì)小鼠進(jìn)行不同程度從低到高的呼吸機(jī)械張力模擬，同時(shí)結(jié)合數(shù)學(xué)模型運(yùn)算和擬合，證明了隨著呼吸運(yùn)動(dòng)機(jī)械張力的增加，位于肺葉邊緣的肺泡首先承受高的機(jī)械張力，高的機(jī)械張力進(jìn)一步激活肺泡干細(xì)胞中不斷級(jí)聯(lián)放大的TGFbeta信號(hào)通路，從而誘導(dǎo)肺泡周?chē)g質(zhì)細(xì)胞的響應(yīng)和激活。
綜上，湯楠實(shí)驗(yàn)室的研究人員在本文中首次建立了高度模擬IPF發(fā)病特征的小鼠疾病模型，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Cdc42缺失的肺泡干細(xì)胞由于無(wú)法分化和建立新肺泡，導(dǎo)致肺泡干細(xì)胞被持續(xù)暴露于升高的肺泡機(jī)械張力下，從而持續(xù)激活肺泡干細(xì)胞里TGFbeta信號(hào)通路，最終導(dǎo)致從邊緣到中心的肺纖維化病變。該研究從細(xì)胞行為和分子機(jī)理雙重層面闡述了進(jìn)行性肺纖維化的發(fā)生和發(fā)展，為肺纖維化的研究和治療提供了思路。

該研究成果起源于對(duì)偶然發(fā)現(xiàn)的小鼠表型的不懈的研究。湯楠實(shí)驗(yàn)室學(xué)生武慧娟在2015年首次在成年Cdc42敲除小鼠上觀察到肺纖維化病變,并進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的小鼠表型追蹤。生存曲線和老年小鼠發(fā)病的實(shí)驗(yàn)歷時(shí)兩年。在2016年，在中日友好醫(yī)院的代華平教授的幫助下確認(rèn)了Cdc42敲除小鼠的肺纖維化病變高度模仿人肺纖維化的病理改變。在NIBS測(cè)序中心黃煥偉的幫助下進(jìn)行了基因表達(dá)譜分析，并和發(fā)表的IPF病人的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，看到了多個(gè)和病變相關(guān)的信號(hào)通路和相關(guān)基因的改變。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，NIBS轉(zhuǎn)基因動(dòng)物中心做了多個(gè)條件性基因敲除小鼠，湯楠實(shí)驗(yàn)室的于元元、王諍、付思玲在雙敲除和多敲除的小鼠表型追蹤上投入很多。一直到2018年，最終的靶向信號(hào)通路才得以確定。之后，進(jìn)一步結(jié)合肺功能分析（湯楠實(shí)驗(yàn)室于元元建立）、數(shù)學(xué)模型（清華大學(xué)胡煜成博士建立）和力學(xué)手段測(cè)量（清華大學(xué)楊春教授和學(xué)生楊雪藝幫助），關(guān)于小鼠表型的多個(gè)謎團(tuán)才得以揭示。2019年夏天，在無(wú)錫市人民醫(yī)院陳靜瑜教授團(tuán)隊(duì)的幫助下，拿到了人的標(biāo)本，進(jìn)行了驗(yàn)證。感謝NIBS電鏡中心在電鏡樣品制備和拍攝過(guò)程的幫助。該研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)和北京市科技重大專(zhuān)項(xiàng)資助，在北京生命科學(xué)研究所完成。

原文標(biāo)題：

Progressive Pulmonary Fibrosis Is Caused by Elevated Mechanical Tension on Alveolar Stem Cells