我们的肺就像一棵倒长的树，从气管、支气管一路延伸到末端的肺泡。像慢阻肺、哮喘这类常见的慢性肺病，往往会损伤气管和支气管里的上皮干细胞，导致难以自我修复，病情不断恶化。
长久以来，教科书告诉我们，肺部的“肺泡”和“支气管”就像两个独立的功能单元，各管各的。气道和支气管受损时，通常由该位置的干细胞来修补；而肺泡里的干细胞，平时主要负责维持肺泡的气体交换。虽然已知支气管干细胞能去“支援”肺泡，但一个核心谜团始终困扰着学界：肺泡里的干细胞，究竟能不能“跨界”跑到支气管里去帮忙修受损的支气管呢？如果能，这绝对是一场艰难的“跨区救援”。肺泡细胞不仅要突破物理屏障长途跋涉，还要完成自我的“大变身”。那么，究竟是什么样的信号在暗中指导这场迁徙和变身呢？深入解析肺泡细胞迁移与变身的机制，不仅是破解肺部再生之谜的关键，更有可能从中发现修复支气管损伤的全新药物靶点，为无数肺部疾病患者带来新希望。
10月7日，国际学术期刊Nature以Research Article的形式在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）/国科大杭州高等研究院周斌研究组的最新成果“Alveolar stem cells transdifferentiate to drive bronchiolar regeneration”。该研究建立了Cre-loxP和Dre-rox双同源重组酶介导的遗传谱系示踪新技术，结合多种小鼠支气管损伤模型，系统研究了支气管上皮损伤后肺泡II型上皮细胞（AT2 cell）跨区域迁移并转分化为支气管上皮细胞、促进再生修复的过程，并揭示了参与细胞命运调控的分子机制。该研究不仅为肺脏疾病治疗研究提供了新的科学依据和突破口，也为器官发育和再生医学研究提供了新的技术方法。
维持肺脏结构和功能的稳定对于人类生存至关重要。肺上皮干细胞在肺损伤后的再生修复中扮演核心角色，是肺再生与疾病研究领域的前沿热点。以小鼠肺脏为例，肺叶内部主要包含支气管和肺泡两个解剖学上截然不同的区域。支气管上皮是肺与外界环境之间的第一道防线，其再生修复能力直接关系到肺部抵御病原菌感染和组织稳态的维持。当这一再生过程受损时，会导致上皮屏障破坏、修复缺陷及气道重塑，进而参与慢性阻塞性肺疾病（COPD）、哮喘等重大呼吸系统疾病的发生发展。
肺泡上皮主要由I型肺泡上皮细胞（AT1 cell）和II型肺泡上皮细胞（AT2 cell，分子标记为Sftpc）构成，其中AT2细胞作为肺泡干细胞能自我更新并分化为AT1细胞；在支气管和肺泡区域交界处，还存在一群支气管肺泡干细胞（BASCs），同时表达Scgb1a1和Sftpc。周斌团队前期研究揭示BASCs在肺损伤后具有向支气管和肺泡上皮双向分化潜能，以及支气管club细胞能够动员参与肺泡修复，然而肺泡AT2细胞能否逆向跨区域参与支气管上皮修复，尚不清楚。由于领域内研究AT2细胞的传统谱系示踪技术存在非特异性标记的缺陷，导致这一问题缺乏体内遗传学证据。
为了阐明 AT2 细胞能否跨区域参与支气管上皮再生，研究人员发现传统示踪工具会异位标记 BASCs，干扰 AT2 细胞谱系示踪结果。研究人员建立了 AT2-tracer1 系统，结合 DT 诱导的支气管损伤模型，发现 AT2 细胞能够迁移进入细支气管，并转分化为 club 细胞和纤毛细胞，损伤后第 4 周分析发现约 77.42% 的支气管末端新生 club 细胞起源于 AT2 细胞。AT2 细胞主要通过支气管肺泡管连接处进入细支气管，也可经支气管壁通道迁移。
DT损伤后AT2细胞迁移并转分化为支气管club细胞和纤毛细胞
进一步，研究人员构建了 AT2-tracer2，结合萘诱导支气管损伤模型，证实 AT2 细胞在生理性损伤模型中同样贡献于 club 细胞再生。随后构建 AT2-tracer3，可同时三色标记 club 细胞、AT2 细胞和 BASCs。结果显示，损伤后 4 周 AT2 细胞贡献了支气管末端约 52.35% 的再生 club 细胞，显著高于 BASCs 和 club 细胞自身扩增。长时程追踪分析显示，AT2 来源的 club 细胞在转录组和表观遗传水平上逐渐与内源 club 细胞趋同，逐渐失去肺泡特征，获得 club 细胞功能特征。以上结果表明，支气管损伤后 AT2 细胞能够跨区域迁移并转分化为 club 细胞和纤毛细胞，促进末端支气管再生修复。
Naphthalene损伤后AT2细胞迁移并转分化为支气管club细胞和纤毛细胞
那么是何种信号通路调控 AT2 细胞的迁移和转分化？研究发现 AT2 细胞通过 CLDN4⁺中间过渡态分化为 club 细胞或 AT1 细胞。研究人员验证了 CLDN4⁺ 中间过渡细胞的功能，发现损伤后 4 周约 62.10% 的新生 club 细胞起源于 CLDN4⁺ 中间过渡细胞。进一步在 AT2 细胞中敲除 Cldn4 后，显著降低 AT2 细胞向 club 细胞命运转变。以上结果说明 CLDN4⁺中间过渡细胞不仅贡献于细支气管上皮，还功能性促进 AT2 细胞介导的上皮修复。
Cldn4介导AT2细胞向club细胞转分化
功能富集分析提示 AT2 细胞向 club 细胞转分化可能经历了迁移和转分化两个流程。系列功能获得和缺失实验证明 Notch 信号通路是 AT2 细胞命运决定的关键调控因子。此外，Rbpj 敲除还导致细支气管壁增厚和小气道通气功能下降，表明 Notch 介导的 club 细胞再生对结构和功能恢复至关重要。
研究证实纤毛细胞通过 Notch 配体 JAG1 调控 AT2-to-club 细胞转分化，AT2 来源细胞通过 Notch2 受体接收该信号。
Notch信号通路介导AT2细胞向club细胞转分化
回答了调控细胞命运转变的关键信号通路后，研究人员进一步探究 AT2 细胞如何响应支气管损伤进行定向迁移。研究发现损伤后支气管周围免疫细胞浸润增加，并高表达 SPP1，形成密度梯度。体内验证实验证明 AT2 细胞通过 ITGB1 接收浸润免疫细胞来源的 SPP1 趋化信号，引导其向损伤支气管迁移。
支气管损伤后浸润的免疫细胞分泌SPP1介导AT2细胞向支气管定向迁移
综上，该研究通过构建精准的双同源重组介导的谱系示踪技术，系统解析了支气管损伤后上皮再生的细胞来源，首次提供了AT2细胞跨区域转分化驱动支气管再生的体内遗传学证据，揭示了SPP1-ITGB1趋化轴和Notch信号通路在其中的关键调控作用，拓展了对肺再生可塑性的理解，为慢性阻塞性肺疾病、哮喘、支气管扩张等气道损伤相关疾病的治疗策略提供了新的理论依据和潜在靶点。
国科大杭州高等研究院刘扩研究员、分子细胞卓越中心博士后刘子鑫、上海科技大学博士生孟鑫凤、分子细胞卓越中心博士后唐慕雪为该论文共同第一作者。分子细胞卓越中心/国科大杭州高等研究院周斌研究员为该论文通讯作者。国科大杭州高等研究院为该工作的第一完成单位。该工作得到分子细胞卓越中心隋鹏飞研究员和上海交通大学附属胸科医院李锋主任的大力支持。该研究得到分子细胞卓越中心动物实验技术平台和细胞分析技术平台及中国科学院上海营养与健康研究所细胞分析技术平台的大力支持。该研究得到中国科学院、国自然基金委、科技部、浙江省自然基金委、杭高院、新基石科学基金会等支持。
支气管上皮损伤后AT2细胞跨区域参与支气管修复再生
利用双重组酶介导的谱系示踪新技术特异性标记AT2细胞，发现支气管损伤后AT2细胞迁移至细支气管并转分化为club细胞和纤毛细胞，成为远端细支气管上皮修复的主要细胞来源。机制上，损伤后浸润的免疫细胞分泌SPP1，与AT2细胞表面的ITGB1结合，引导AT2细胞定向迁移；AT2细胞到达细支气管后，接收纤毛细胞来源的Notch配体JAG1，通过Notch2驱动其向club细胞转分化。
来源：中国科学院分子细胞科学卓越创新中心
编辑：拾
