肺細胞再生研究最新進展

就像所有器官那樣，人肺部剛開始時是作為未分化的幹細胞團塊存在的。但是在幾個月後，這些細胞形成有序的結構。它們聚集在一起，一些細胞形成肺部氣道，其他的細胞形成肺泡。肺泡是我們的人體交換氧氣和二氧化碳的地方。在理想的情形下，最終的結果是形成兩個健康的會呼吸的肺部。近年來，自從科學家們首次發現肺幹細胞以來，相關研究不斷取得進展。同時也有科學家利用其他的幹細胞分化為肺細胞。這些進展有望治療肺部疾病。基於此，小編對此進行一番盤點，以饗讀者。

1.Cell：蛋白TSP-1促進肺幹細胞產生肺泡細胞

doi:10.1016/j.cell.2013.12.039

根據一項來自美國波士頓兒童醫院的新研究，人們有朝一日可能能夠通過導入一種蛋白指導肺幹細胞(lung stem cell)分化為修復肺部損傷所需的特定細胞類型來治療幾種肺部疾病。相關研究結果近期發表在Cell期刊上，論文標題為「Lung Stem Cell Differentiation in Mice Directed by Endothelial Cells via a BMP4-NFATc1-Thrombospondin-1 Axis」。在這項研究中，來自波士頓兒童醫院幹細胞研究項目的Carla Kim博士、Joo-Hyeon Lee博士和他們的同事們發現一種由於損傷而被激活的新途徑指導肺幹細胞轉化為特定類型的細胞。

通過在小鼠模式動物中增強這種自然途徑的活性，他們成功地增加肺泡上皮細胞(alveolar epithelial cell)的產生，其中這些肺泡上皮細胞位於肺泡內壁上，即氣體交換髮生的地方。在諸如肺纖維化和肺氣腫之類的疾病中，這些上皮細胞遭受不可逆的損傷。利用一種模擬肺部環境的三維培養模型，研究人員證實即便單個肺幹細胞也能夠經誘導產生肺泡上皮細胞和氣道上皮細胞。通過加入蛋白thrombospondin-1(TSP-1)到這些幹細胞培養物中，他們能夠促進這些幹細胞產生肺泡細胞。Kim和Lee在肺纖維化小鼠模式動物中開展實驗。

只需獲取位於肺部小血管內壁的內皮細胞---這些細胞能夠天然地產生TSP-1---並體外培養后，將這些體外培養的細胞周圍的液體直接注射這些小鼠體內，就能夠逆轉它們的肺部損傷。相反地，當在三維培養中使用缺乏TSP-1的肺內皮細胞時，這些幹細胞產生更多的氣道細胞。在經過改造缺乏TSP-1的活小鼠體內，氣道修復能力在損傷之後增強了。

2.科學家研製出新型幹細胞治療肺纖維化

doi:10.1186/s12931-017-0611-0; doi:10.1002/sctm.16-0374北卡大學醫學院與北卡州立大學聯合研究項目展示了如何運用微創的方法獲取肺幹細胞，進而擴增後用於治療肺部疾病—— 一種潛在的，強有力的對抗肺部炎症和纖維化的治療方法。美國北卡州，教堂山報道——來自美國北卡大學（UNC）醫學院和北卡州立大學（NCSU）的科研團隊研發了一種具有廣泛應用前景的使用幹細胞治療肺部疾病的方法，該方法可用於特發性肺纖維化（IPF），慢性阻塞性肺疾病（COPD）和囊性纖維化等多種嚴重肺部疾病的治療。在美國有數千萬人罹患這些致命的肺部疾病。

這一研究成果發表在《Respiratory Research》雜誌上。該團隊的科學家們證實，他們運用相對微創的、在醫生辦公室內即可完成的簡易技術來收集人體的肺 幹細胞 ，然後在實驗室中進行擴增以獲得足夠多的細胞量用於臨床病人的治療。 同一時間，該團隊的另外一項研究刊登在了《Stem Cells Translational Medicine》上。在這項研究工作中，他們將該種類型的肺細胞成功地運用到了嚙齒類動物IPF模型的治療中，一直以來IPF都被認為是一種以進行性肺功能下降為特徵的慢性、不可逆性致命疾病。

在這兩項研究的初期，Lobo和他的團隊通過微創的經支氣管活檢技術從肺部疾病患者體內獲得肺球樣細胞。 Lobo教授稱，「我們通過支氣管鏡鉗取微量的、種子大小的氣道組織標本，這種方法與傳統的由胸部穿刺獲得肺活檢標本相比，顯著降低了風險。」 在一項研究中，Cheng教授和他的團隊從這些微量的組織標本中培養出肺球樣細胞，並擴增至數以萬計的數量，以滿足在體治療的需要。當他們將這些細胞靜脈注射到小鼠體內時，他們發現大多數細胞聚集在了小鼠的肺部。 「這些細胞來源於肺部，所以在某種意義上它們更易於駐留在肺部，並在那裡發揮作用。」在第二項研究中，他們首先建立了IPF肺纖維化大鼠模型，然後給其中一組大鼠注射肺球樣細胞。

與其他安慰劑組相比，球樣細胞治療組具有更高的肺部整體細胞存活率以及更少的肺部炎症和纖維化。 Lobo教授稱，「無論肺球體細胞是自體還是異體來源，都具有安全有效的治療作用，也就是說即使是『外來』的 幹細胞 也不會像 器官移植 那樣引起損傷性的免疫反應」。

3.兩項研究利用人誘導性多能幹細胞產生肺細胞，研究肺部疾病

doi:10.1172/JCI89950; doi:10.1016/j.stem.2017.03.001

圖片來自Cell Stem Cell, doi:10.1016/j.stem.2017.03.001

多年來，研究囊性纖維化等肺部疾病的科學家們試圖自始至終詳細地追蹤這些疾病的致病過程，以便理解肺部如何在正常情形下形成，從而可能有助解釋是什麼發生差錯。如今，來自美國波士頓大學再生醫學中心（Center for Regenerative Medicine, CReM）的研究人員宣布了他們取得兩項重大的發現而有助進一步加深我們對這種過程的理解：培養和純化由人幹細胞產生的最早肺祖細胞（一種未成熟的肺細胞）的能力；讓這些幹細胞分化為微小的「支氣管球體（bronchosphere）」的能力，這種支氣管球體可用來構建囊性纖維化的疾病模型。他們希望這些結果將會導致人們開發出新的「個人化療法」來治療肺部疾病。

第一項研究結果於2017年5月2日在線發表在Journal of Clinical Investigation期刊上，論文標題為「Prospective isolation of NKX2-1–expressing human lung progenitors derived from pluripotent stem cells」。第二項研究結果於2017年3月30日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Efficient Derivation of Functional Human Airway Epithelium from Pluripotent Stem Cells via Temporal Regulation of Wnt Signaling」。CReM研究人員利用人誘導性多能幹細胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）開展研究。

他們獲得人體中的成體細胞（如血細胞或皮膚細胞），將它們 「重編程」為iPSC。iPSC能夠產生任何一種器官中的細胞。近年來，幾個科學家小組利用人ipsC培育出肺細胞，但是他們的配方並不是完美的：所產生的肺細胞與許多肝細胞、腸道細胞和其他的組織細胞一起生長。首先，波士頓大學醫學院醫科助理教授Finn Hawkins需要一種方法來鑒定這些肺細胞。Kotton和其他的CReM研究人員之前開展的研究已證實小鼠幹細胞在分化為肺細胞的「命運決定」時刻表達Nkx2-1基因。Hawkins說，「這是表明肺細胞身份的第一個表達的基因。」Kotton構建出一個報告基因，使得這些小鼠幹細胞首次表達Nkx2-1時會發出綠色熒光。Hawkins將這個相同的報告基因導入到人細胞中。

如今，他能夠輕鬆地觀察到和純化發出綠色熒光的肺細胞。利用一台流式細胞儀，Hawkins和他的同事們從利用ipsC產生的細胞混合物中分離出發出綠色熒光的肺細胞，隨後在一種基質中培養它們。Hawkins說，結果就是形成微小的發出綠色熒光的球體，該球體長大約0.5毫米，「由純的早期肺細胞群體組成」。Hawkins團隊將這種微小的球體稱為「類器官（organoids）」，這種類器官含有關鍵的肺細胞類型。這種類器官允許科學家們詳細地研究人肺部發育中的關鍵時刻。Hawkins說，「我們已發現在小鼠等其他物種中控制肺部發育的很多基因也在這些人肺細胞中表達。」

在第二項研究中，論文共同作者、CReM博士生Katherine McCauley對囊性纖維化感興趣。囊性纖維化是一種由單個基因CFTR發生突變導致的肺部疾病。這種突變導致病人的肺部產生厚厚的粘稠的粘液，從而導致感染和炎症，最終導致肺功能衰竭。對很多病人而言，沒有治癒這種疾病的方法。研究這種疾病最早階段的McCauley想要利用Hawkins純化出的肺細胞開展下一步研究，和找出它們如何變成氣道細胞。通過很多辛苦的實驗，她著重關注Wnt信號通路。已知這種信號通路在小鼠肺部發育中發揮著重要的作用。通過關閉這個信號通路，她指導這些未成熟的肺細胞變成氣道細胞。隨後，她將它們培養成微小的「支氣管球體」。 作為一項概念驗證，McCauley從一名囊性纖維化病人體內獲得兩種細胞系：一種細胞系攜帶著導致這種疾病的CFTR突變，但已被校正；另一種細胞系也攜帶這種突變，但未被校正。她將這些細胞系培養成支氣管球體。

為了觀察她的方法是否起作用，她開展測試，並且使用應當導致由正常的功能性細胞組成的支氣管球體充滿液體的藥物。它確實起作用了：這些得到「校正的」支氣管球體對這種藥物作出反應，開始變得腫脹起來，而未得到校正的支氣管球體並不會作出反應。McCauley說，「精彩的地方在於我們利用高通量顯微鏡對這一點進行測量，隨後我們計算了支氣管球體面積隨著時間的變化。因此，我們如今能夠定量地評價CFTR功能。」

4.Nature：肺幹細胞的生命史

doi:10.1038/nature12930肺換氣發生在結構精妙的肺泡囊中，其內壁有兩種上皮細胞類型：鱗狀1-型肺泡細胞(AT1細胞)和骰狀2-型肺泡細胞(AT2細胞)。前者介導換氣；後者分泌防止肺泡在呼吸過程中崩潰的表面活性劑。Mark Krasnow及同事採用肺泡標記物、遺傳世系追蹤和克隆分析來在小鼠整個生命周期中對肺泡祖細胞進行活體識別。他們發現，AT1和AT2細胞是在發育過程中從一種「雙潛力」祖細胞形成的。在出生后，成熟AT2細胞起「兼性」幹細胞的作用，形成再生肺泡的慢慢增大的單克隆位點。有致癌作用的Kras (G12D) 突變永久性地激發AT2自我更新，劫持這種「兼性」幹細胞功能來啟動肺癌。

5.Nat Nanotechnol：新方法可追蹤單個肺幹細胞活動

doi:10.1038/nnano.2013.147《自然—納米技術》報道了一種可用來追蹤小鼠肺部中單個幹細胞活動的方法。這或許能幫助我們了解那些對移植幹細胞相容性以及其在宿主體內再生能力有決定作用的因素。Huan-Cheng Chang等人用熒光納米鑽石給肺部幹細胞做好標記，然後將其移植入肺部損傷的小鼠體內。他們發現不只受損肺部細胞能夠快速恢復，而且單個幹細胞的吸收與再生活動也能被追蹤到。

6.美科學家首次將人體幹細胞轉化為功能性肺細胞

doi:10.1038/nbt.2754據物理學家組織網2013年12月1日報道，美國哥倫比亞大學醫學研究中心的科學家首次成功地將人體幹細胞轉化成了功能性的肺細胞和呼吸道細胞。發表在今天出版的《自然·生物技術》雜誌上的這一最新研究成果，可以幫助科學家們研究肺部發育、構建肺部疾病建模、篩查藥物並最終製造出可供移植的肺部器官。最新研究建立在斯諾耶克以前研究的基礎上。早在2011年，斯諾耶克就發現了一套化學因子，能將人的胚胎細胞或誘導多能幹細胞（iPS細胞）變成前腸內胚層（肺細胞和呼吸道細胞的前體）。ips細胞與人體的胚胎細胞非常接近，能分化為多種類型的細胞，但其可以由皮膚細胞生成，不像胚胎幹細胞那樣存在倫理爭議，因而在研究中常常作為人類胚胎細胞的替代品。在最新研究中，斯諾耶克和同事發現了新的化學因子，其能成功地將人的胚胎細胞或ips細胞完全變成功能性的肺上皮細胞（覆蓋肺部表面的細胞）。他們得到的細胞表達了至少6種肺上皮細胞和呼吸道上皮細胞的標誌物，其中包括二型肺泡上皮細胞。這種細胞非常重要，因為其會產生對維持肺泡（氣體交換髮生的場所）至關重要的表面活性物質；另外，當肺部受傷時，二型肺泡上皮細胞還會參與修復工作。

7.Nature：心臟和肺的幹細胞的進化史

doi:10.1038/nature12358最近發表在Nature上的一篇文章闡明了肺的血管，連接心臟和肺的血管即使沒有肺也能形成。在小鼠身上肺的發展抑制了肺血管的形成，而心臟的祖細胞或幹細胞是心肺發展所必須的。Edward E. Morrisey 帶領的研究團隊們發現了心臟中胚層有一群多動能的細胞，命名為 CPPs。CPPs 可以通過表達信號分子 Wnt2 ，從而與其它胚胎幹細胞區分。使用細胞系追蹤分析，他們發現 Wnt2 細胞可以形成單獨的克隆，反過來，形成心和肺組織，包括心肌細胞和血管細胞比如血管的平滑肌。確實， CPPs 能夠形成大量的早期心和肺的胚胎細胞類型。這些研究表明不同的細胞系在肺內是相關的，比如平滑肌血管和呼吸道平滑肌在肺內共享一個祖細胞。CPPs 的發展通過另一個已知的蛋白 hedgehog 調控，這個蛋白可以使肺血管和心得到合適的連接。這些研究表明 hedgehog 蛋白，表達在肺的祖細胞幫助促進 CPPs 分化成肺血管的平滑肌。總之，這些研究發現了一群新的心肺祖細胞，用來協調心和肺的發展從而來適應陸地的生活。

8.Cell：新加坡科學家發現能夠修復肺的幹細胞

doi:10.1016/j.cell.2011.10.008新加坡一個研究團隊，確定了與肺部組織自我修復功能相關的幹細胞具體種類。這一發現將有助了解肺部組織的修復機理。科技研究局下屬的遺傳學研究所和分子生物學研究所科研人員及一些醫學研究人員合作，發現遠端幹細胞與肺泡的生成密切相關。研究人員從人體不同區域提取出3種幹細胞——遠端幹細胞、氣管幹細胞和鼻上皮幹細胞，進行克隆培養。儘管這些幹細胞的相似度高達99%，但只有遠端幹細胞的試管內最後產生了新的肺泡。

9.NEJM：已首次確認可自我更新的人體肺幹細胞

doi:10.1056/NEJMoa1101324美國研究人員2011年5月11日說，已首次確認可自我更新的人體肺幹細胞，或許能夠為治療慢性肺病提供幫助。先前一些研究顯示，研究人員可以藉助人體胚胎幹細胞培育肺細胞。不過，這次獲得確認的肺幹細胞來自經由外科分離的成人肺組織。最新研究成果論文刊載於美國《新英格蘭醫學雜誌》（NEJM）周刊。論文作者之一、美國布里格姆再生藥物研究中心負責人皮耶羅·安韋薩告訴法新社記者：「這項研究第一次描述了真正的肺幹細胞。」安韋薩說，之所以稱這次發現的細胞為真正肺幹細胞，原因包括這些細胞可以自我更新、可以形成各種不同形式的肺細胞。

10.Nature Genetics：激活關鍵分子路徑能增加肺幹細胞

doi:10.1038/ng.157美國科學家近日研究發現，激活一個重要的分子路徑能夠增加肺幹細胞。這一發現有助於開發相關治療方案以進行傷后或病後肺部組織的修復。相關論文發表在《自然—遺傳學》（Nature Genetics）上。美國賓夕法尼亞大學醫學院的Edward Morrisey和同事研究發現，激活Wnt信號路徑能夠增加細支氣管肺泡幹細胞（bronchioalveolar stem cells）的數量。一種名為GATA6的蛋白能夠抑制Wnt路徑，方式是通過直接調控Wnt路徑中另一種名為Fzd2的蛋白的表達。Wnt路徑是幹細胞生物學中一個主要的路徑。GATA6負調控Wnt路徑並且其已被證明在胚胎幹細胞複製和分化中也起重要作用，這表明這兩種路徑相關聯的地方不限於肺幹細胞，它們在心臟、腸道以及胰腺等組織中也發揮著重要作用。

11.人類幹細胞向肺細胞轉化獲得成功

doi:10.1089/ten.2006.12.867英國的科學家成功將人類幹細胞轉化為肺細胞，在成功構建移植肺臟的道路上邁出了第一步。研究結果發表在最新的《組織工程雜誌》（the journal Tissue Engineering）上。英國皇家大學的Julia Polak教授領導了該項研究，研究者提取出人類幹細胞，將其直接轉化成具有氣體交換功能的成熟肺泡上皮細胞。研究者首先獲得人類幹細胞，在實驗室中的一種特殊分化誘導體系中進行培養，最終分化為具有呼吸功能的肺臟上皮細胞，可以吸收氧氣，排出二氧化碳。這是首次對胚胎幹細胞進行的成功轉化，下一步將會對其他來源的幹細胞進行實驗研究，例如臍帶血或骨髓中的幹細胞進行培養，以求能擴展幹細胞的來源問題。來自倫敦皇家大學Chelsea 和 Westminste醫院的Anne Bishop指出：儘管距離能夠成功構建供移植的肺組織還要很長一段時間，這一結果在嚴重損傷的肺組織修復道路上邁出了關鍵性的一步。

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