成体气道上皮基底细胞的功能与再生应用研究进展.pdf

（Biomedical Transformation），2023年9月，第4卷，第3期成体气道上皮基底细胞的功能与再生应用研究进展郑琦，任涛*收稿日期：2023-08-01；修回日期：2023-08-13基金项目：国家自然科学基金重点项目（81930001）通信作者：任涛（1971-），男，山东兰陵人，教授，主要从事肺组织干细胞的功能与再生应用研究。E-mail:【摘要】基底细胞是成人气道上皮的主要细胞类型，分子标志为P63和KRT5，具有自我更新能力和多向分化潜能。基底细胞的分化主要受Notch信号调控。基底细胞功能低下或耗竭可启动肺组织异常修复和/或病理性重塑。支气管扩张症、特发性肺纤维化、COPD患者气道上皮存在自我更新能力的基底细胞，并可被体外扩增。经支气管镜气道植入自体基底细胞后，支气管扩张症与特发性肺纤维化患者的肺结构、肺功能与运动能力出现不同程度的改善。【关键词】组织干细胞；气道上皮；基底细胞；肺再生；特发性肺纤维化中图分类号：Q25，R364.3+3文献标识码：A文章编号：2096-8965（2023）03-0002-04Functions and regenerative applications of adult humanairway epithelial basal cellsZheng Qi,Ren Tao*(Shanghai Sixth Peoples Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200233,China)【Abstract】Basal cells are the major cell type of the adult airway epithelium,expressing the molecularmarkers P63 and KRT5,and possessing tissue stem cell properties such as self-renewal capacity andmultidirectional differentiation potential.Basal cell differentiation is mainly regulated by Notch signaling.Insufficiency or depletion of basal cells can initiate abnormal repair and/or pathological remodeling of lung tissue.Residual basal stem cells are present in the airway epithelium of patients with bronchiectasis,idiopathicpulmonary fibrosis,and COPD and can be cultured and expanded in vitro.After transbronchoscopic airwayimplantation of autologous basal cells,patients with bronchiectasis and idiopathic pulmonary fibrosis may showsome improvement in lung structure,lung function and exercise capacity.【Keywords】Tissue stem cell;Airway epithelium;Basal cells;Lung regeneration;Idiopathic pulmonaryfibrosis(IPF)（上海交通大学医学院附属第六人民医院，上海 200233）DOI：10.12287/j.issn.2096-8965.20230301肺脏是人体内表面积最大的器官，每天约有8 000 L空气流经气道上皮，空气中含有大量的微颗粒如污染物、微生物和氧化剂等会与气道上皮直接接触并造成损伤1，呼吸上皮的稳态维持与损伤后修复持续成为研究热点。成人气道从气管开始，经过23级分级逐渐分支变细直到肺泡囊，包括终末细支气管在内的前16级气道构成肺的传导区，容量约150 mL，始于呼吸性细支气管的最后7级气道因为肺泡结构的出现参与气体交换，构成了肺的呼吸区，容量约2 5003 000 mL。近来，围绕肺传导区和功2（Biomedical Transformation），2023年9月，第4卷，第3期能区等不同段位开展的单细胞转录组学、细胞谱系示踪以及细胞空间定位等研究，不断更新人们对呼吸上皮细胞新类型或细胞新功能的认知水平2。1成人气道上皮基底细胞具有干细胞特征成人呼吸上皮中至少有15种功能明确的上皮细胞，如多纤毛细胞（Multiciliated Cells，MCCs）、棒状（Club）细胞、基底细胞（Basal Cells，BCs）、中间细胞、黏液细胞和肺神经内分泌细胞3。气道上皮表面纤毛细胞和非纤毛细胞的比例大致相等。BCs与纤毛细胞和棒状细胞一样同属气道最常见的上皮细胞类型，外观呈小圆形至金字塔形，位于上皮基底层，通过半桥粒和整合素将细胞骨架紧密粘附于上皮基底层。BCs 的分子标志为转录调节因子-转化蛋白63（p63）和中间丝细胞角蛋白-角蛋白 5（Krt5）及其异源二聚体伙伴分子-角蛋白 14（Krt14）。人体BCs的分布广泛，遍布大小气道（包括最远端终末细支气管区域），小鼠BCs的分布较为局限，主要见于气管，而肺内支气管几乎缺如4，5。上皮组织修复过程中，增殖状态的BCs从气道基底层迁移至气道上皮细胞下方，分化形成中间态BCs，该群细胞会因p63表达下调而失去典型的基底细胞标记。多项研究利用谱系示踪分析和单细胞转录组分析方法，证实 Krt5+BCs能够分化形成所有的气道上皮细胞类型，包括新发现的离子细胞和罕见的刷状细胞亚群6。最近的研究发现，成体气道上皮中还有其他细胞类型具备干细胞/祖细胞特性，分别为Club细胞、支气管-肺泡干细胞（Bronchioalveolar Stem Cells，BASCs）、黏膜下腺体（Submucosal Glands，SMG）肌 上 皮 细 胞 和 肺 神 经 内 分 泌 细 胞（PulmonaryNeuroendocrine Cells，PNECs）。Club 细胞的分子标志为Cyp2f2、SCGB1A1、SCGB3A1、SCGB3A2，具有自我更新和分化为多纤毛细胞的能力，成人近端气道上皮不包含Club细胞，仅在终末气道呈低比例出现，约占上皮细胞的11%20%，小鼠气管、近端肺内支气管和终末细支气管上皮Club细胞占比分别为50%、60%和70%7。最近研究显示，成人终末气道上皮中SCGB3A2+SCGB1A1+Club 细胞具有肺泡上皮细胞分化能力8。PNECs广泛分布于上下呼吸道，常以单体细胞或多个细胞构成的细胞小体的形式存在，人体组织中可见PNECs细胞增殖，严重肺损伤时，PNECs增殖并发挥祖细胞功能，分化形成Club细胞和纤毛细胞9，10。BASCs位于小鼠支气管向肺泡的过渡区域，严重肺损伤时小鼠BASCs显示出气道上皮和肺泡上皮的双向修复能力11，12。SMG肌上皮细胞的功能研究主要来自严重肺损伤小鼠模型，研究发现肺损伤后小鼠肌上皮细胞增殖，然后迁移到气道上皮细胞中发挥祖细胞功能，分化形成纤毛细胞、Club细胞和杯状细胞，人体气道黏膜下腺体也存在肌上皮细胞增殖的证据13。可见，成人气道上皮中广泛分布的BCs不仅是纤毛细胞、杯状细胞、刷状细胞等终末分化细胞的起始细胞，还具有向Club和PNECs等祖细胞转化的能力，是气道上皮稳态维护和损伤后修复的细胞主力14。2气道基底细胞的功能调控与肠道等经常暴露于外部刺激物的黏膜表面不同，呼吸上皮细胞在生理状态下处于相对静止状态，若一旦受伤，呼吸上皮干细胞及其邻近细胞构成的干细胞生态位会作出快速响应，立即修复受伤上皮区域，尽快恢复呼吸上皮的屏障功能。基础研究证实 BCs的更新与分化主要受到经典再生信号Wnt、Notch以及细胞微环境等多重因素的影响15。Wnt信号激活可趋化BCs至损伤部位，促进小鼠BCs分化为2型肺泡上皮细胞（Alveolar EpithelialType 2 Cell，AT2）。具体表现为气道上皮损伤后，干细胞扩增并上调表达Wnt7b，Wnt7b通过促进平滑肌细胞分泌Fgf10诱导干细胞池的扩增并趋化至损伤区域16。Notch信号则主动参与气道上皮的稳态维持与损伤后修复，生理状态下小鼠气道BCs的Notch 信号呈低活跃状态，再生与修复状态下Notch信号得以强化，促进 BCs分化为分泌细胞。近来发现Notch2维持未分化BCs的稳态并限制BCs向纤毛细胞分化，Notch3则抑制BCs分化为分泌细胞17。非常有趣的发现当属母代BCs也能为其子代细胞提供Notch信号支持，维持子代细胞的分化状态18。可见，围绕再生信号与细胞微环境，有望形成BCs分化方向的精准调控措施。3基底细胞功能异常与慢性呼吸系统疾病近来越来越多的课题组开始关注BCs与慢性阻塞性肺病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）、特发性肺纤维化（Idiopathic PulmonaryFibrosis，IPF）和闭塞性细支气管炎（ObliteransBronchiolitis，OB）等呼吸系统常见病和难治性疾病发生和发展的关系，发现上述疾病均存在BCs功3（Biomedical Transformation），2023年9月，第4卷，第3期能异常，具体表现为BCs自我更新能力不足、细胞衰老和分化异常等。COPD 目前位居全球死亡原因的第四位，在我国，40 岁以上人群中 COPD 患病率高达 8.2%。COPD的气流受限特征呈进行性发展，与气道重塑引起的管壁增厚、管腔变窄并被过多分泌的黏液堵塞以及终末细支气管缺失有关。Ghosh等19选择了50 例年龄在 40 岁以上且吸烟史超过 10 年的受试者，19例诊断为COPD，31例为非COPD，支气管镜下活检获取气道上皮组织，制备单细胞悬液并行基底干细胞培养，分别检测细胞克隆形成能力、自我更新能力和分化能力，该研究发现COPD受试者气道上皮中具有细胞克隆形成能力的 BCs明显减少，仅为非COPD的42%，且干细胞的自我更新能力下降。用气液界面培养检测BCs的分化状态，计数 Krt5+BCs、Muc5b+分泌细胞和 ACT+纤毛细胞，发现COPD气道上皮BCs向纤毛细胞分化的能力明显不足，仅为非COPD受试者的12%。评估基底干细胞缺失与肺功能受损的关系时发现基底干细胞数量减少与气体流速指标（如 FEV1、FEV1/FVC、FEF、FEF25-75和 FEF25-75/FVC）下降相关。研究结果表明，COPD 患者的气道基底干细胞的数量、自我更新能力和多向分化潜能均存在不足，并有可能是引起COPD患者呼吸气流受限的关键因素。IPF的发病机制依然不明，最近的研究结果提示，小气道上皮结构与功能异常已成为IPF新的病变特征，并可能是IPF的早期病变环节20。Yao等21为了更好地界定IPF 肺上皮衰老细胞类型，使用荧光激活细胞分选IPF肺组织纤维化区域上皮细胞，进行单细胞 RNA 测序（scRNA-Seq），分析 AT1、AT2、Club、SCGB3A2+Club、纤毛细胞、前纤毛细胞、MUC5AC高表达杯状细胞、MUC5B 高表达杯状细胞、Krt15+BCs、Krt17+BCs以及离子细胞的分子特征，并对上述细胞亚群的衰老状态进行评分，发现IPF患者肺泡区域的干细胞AT2以及气道区域干细胞Krt17+BCs的细胞衰老状态非常明显。OB的病理特征为终末细支气管和呼吸性细支气管周围炎症和纤维化，导致管腔变窄甚至