同济&瑞金&吉美瑞生联合团队揭示肺干细胞移植对于慢阻肺的治疗作用及其机理
发布时间：21/05/10慢性阻塞性肺疾病（COPD）是以气流阻塞为特征的慢性支气管炎和/或肺气肿，可进一步发展为肺心病和呼吸衰竭的常见慢性疾病。慢性阻塞性肺疾病（COPD）是全球公共卫生的第三大威胁，影响着全球超过7亿人。COPD患者经历持续的气流受限、气体扩散能力下降、致残症状，以及肺实质结构破坏导致的病情加重。目前可用的药物治疗方法改善气流受限，但不能防止肺泡破坏或肺空气交换功能下降。目前，由于缺乏已知的病因学和对其发病机制的充分认识，对COPD尚无有效的治疗方法。因此，迫切需要开发治疗COPD的新方法。
近年来，组织再生作为治疗肺部疾病的新策略受到越来越多的关注。一般来说，通过普通分化细胞的增殖和/或特化干细胞/祖细胞的部署可以实现组织再生，一些研究已经使用了这种方法。成年肺组织在肺损伤后具有明显的再生能力，这是由组织损伤后少量兼性干细胞/祖细胞的激活引起的。表达基底细胞限制性转录因子 P63 和角蛋白 5 (keratin-5, Krt5)的祖细胞/远端气道干细胞(DASC)在肺损伤后具有较强的再生能力。诱导肺损伤激活DASC增殖，广泛向严重损伤区域迁移，并根据损伤程度分化为成熟上皮细胞和损伤组织再生。DASC具有体外大规模扩展和移植后显著肺移植的可行性，是细胞治疗的理想候选。
2021年5月7日，同济大学医学院左为教授与上海交通大学医学院附属瑞金医院瞿介明教授团队合作，在Cell Proliferation期刊上在线发表了题为《Intrapulmonary distal airway stem cell transplantation repairs lung injury in chronic obstructive pulmonary disease》的论文。首次在实验动物中证实远端气道干细胞DASC可减轻小鼠的肺部炎症和肺气肿。此外，DASC还能改善COPD小鼠的换气功能。结果表明，DASC可作为COPD细胞替代治疗的理想选择。同济大学医学院王笑凡（硕士）和赵宇（硕士）为该论文的共同第一作者，吉美瑞生研发副总监王宇嘉、瑞金医院周敏教授、瑞金医院冯耘副主任也为论文的发表做出了重要贡献。
为了研究远端气道干细胞DASC在慢性阻塞性肺疾病COPD中的治疗作用，研究团队提取了COPD患者远端气道干细胞，并建立COPD小鼠疾病模型。利用现有的干细胞培养体系，培养远端气道干细胞（DASC）并验证其分化潜能。利用DASC移植，治疗COPD肺部疾病情况，初步完成干细胞对慢性阻塞性肺病的治疗。本研究首次证实，在COPD损伤期移植DASC可改善猪胰蛋白酶和脂多糖诱导的慢性阻塞性肺疾病小鼠随后的肺部状态，改善肺功能，降低死亡率。因此，DASC可能是治疗慢性阻塞性肺疾病的理想候选干细胞。此外，先进的谱系追踪技术显示，大多数类型的肺上皮细胞损伤后均可增殖扩张，促进肺修复。大量研究表明，干细胞标志物P63和Krt5阳性的DASC在COPD反应中经历了快速增殖和迁移到受损肺泡区。这些迁移细胞聚集并表达典型的肺泡相关标志物，提示DASC在肺损伤后肺泡-毛细血管网络重构中起中介作用。综上所述，这些发现表明DASC参与了肺损伤的再生和修复。此外，我们的结果显示，在输注PPE+LPS后，DASC可以改善肺组织的组织病理学特征，防止肺部炎症的发展。DASC可能在COPD过程中发挥多种作用（再生和/或免疫调节），其具体机制还有待进一步研究。本课题的研究成果为成体干细胞治疗慢性疾病迈出了重要的一步。
图一、人远端气道干细胞DASC通过气管内移植，治疗慢性阻塞性肺病COPD小鼠
研究团队建立了小鼠慢性阻塞性肺疾病模型，干细胞移植后7天和21天，移植组小鼠体重显著高于肺损伤模型组。体重是小鼠健康与否的重要反应指标，体重恢复越快，代表小鼠康复越快。对照组与模型组小鼠体重差异有统计学意义。为了探讨DASC对肺损伤的治疗作用，研究团队对肺损伤面积进行了统计。肺损伤面积可以最清晰的反应出可见，与对照组相比，DASC移植组肺损伤面积明显变小。说明DASC对慢性阻塞性肺病具有治疗作用。在远端气道干细胞的作用下，小鼠肺部变得趋向于健康。
为了探讨远端气道干细胞DASC对肺损伤的治疗作用，在DASC移植后7天测定小鼠血气。可以观察到，与对照组相比，DASC小鼠的肺功能更健康，更接近健康小鼠的肺功能。 表现为动脉血CO2分压更低，氧分压和氧饱和度更高(图二)。综上所述，DASC移植可以改善COPD小鼠的肺功能。
图二、 移植DASC对PPE和LPS诱导的小鼠肺型COPD模型的保护作用
图三、单细胞RNA测序显示小鼠体内远端气道干细胞DASC分化情况
为了进一步研究DASC在体内的分化，研究团队将GFP标记的小鼠DASC气管内移植到肺纤维化小鼠肺中。移植后30和90天后，收集肺并消化成单细胞。然后对移植的GFP+细胞进行分选，并进行scRNA序列分析。测序数据的聚类分析确定了三个不同的细胞群，以及它们独特的基因表达簇。接下来，单片拟时间分析表明，移植的DASC的表达谱沿着细胞轨迹显示了两个不同的方向。此外，我们发现Notch信号通路(p63)和Wnt信号通路(Sox9/Wnt4)参与了移植DASC的分化，这与之前的研究结果一致，即Notch和Wnt信号通路对肺再生至关重要。综上所述，数据显示，气管内移植后，外源性DASC进入损伤肺并分化为肺泡I型细胞和增殖的DASC。
该研究最大的亮点在于其临床转化价值。团队目前的工作表明，通过组织特异性干细胞/祖细胞肺内移植可以重建功能性肺结构，这可能转化为一种成熟的COPD再生治疗策略。DASC对小鼠慢性阻塞性肺病COPD具有治疗作用，为临床实验打下了基础。
在此研究的同时，由吉美瑞生左为教授团队与广州医科大学附属第一医院钟南山院士团队李时悦教授共同主导的“人自体支气管基底层细胞移植治疗慢性阻塞性肺病的实验性医学研究”于2020年4月完成首例患者入组并顺利完成首次干细胞移植。利用人自体远端气道干细胞移植方法，结合干细胞制剂的技术，对慢性阻塞性肺病（COPD）肺损伤的患者开展细胞治疗的探索性临床研究。这一成果为慢性阻塞性肺病的再生医学疗法带来了新的希望。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/cpr.13046
本研究主要受两项国家重点研发计划“干细胞及转化研究”专项及吉美瑞生公司资助。