肺细胞再生研究最新进展
就像所有器官那样，人肺部刚开始时是作为未分化的干细胞团块存在的。但是在几个月后，这些细胞形成有序的结构。它们聚集在一起，一些细胞形成肺部气道，其他的细胞形成肺泡。肺泡是我们的人体交换氧气和二氧化碳的地方。在理想的情形下，最终的结果是形成两个健康的会呼吸的肺部。
近年来，自从科学家们首次发现肺干细胞以来，相关研究不断取得进展。同时也有科学家利用其他的干细胞分化为肺细胞。这些进展有望治疗肺部疾病。基于此，小编对此进行一番盘点，以飨读者。
1.Cell：蛋白TSP-1促进肺干细胞产生肺泡细胞
doi:10.1016/j.cell.2013.12.039
根据一项来自美国波士顿儿童医院的新研究，人们有朝一日可能能够通过导入一种蛋白指导肺干细胞(lung stem cell)分化为修复肺部损伤所需的特定细胞类型来治疗几种肺部疾病。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Lung Stem Cell Differentiation in Mice Directed by Endothelial Cells via a BMP4-NFATc1-Thrombospondin-1 Axis”。
在这项研究中，来自波士顿儿童医院干细胞研究项目的Carla Kim博士、Joo-Hyeon Lee博士和他们的同事们发现一种由于损伤而被激活的新途径指导肺干细胞转化为特定类型的细胞。通过在小鼠模式动物中增强这种自然途径的活性，他们成功地增加肺泡上皮细胞(alveolar epithelial cell)的产生，其中这些肺泡上皮细胞位于肺泡内壁上，即气体交换发生的地方。在诸如肺纤维化和肺气肿之类的疾病中，这些上皮细胞遭受不可逆的损伤。
利用一种模拟肺部环境的三维培养模型，研究人员证实即便单个肺干细胞也能够经诱导产生肺泡上皮细胞和气道上皮细胞。通过加入蛋白thrombospondin-1(TSP-1)到这些干细胞培养物中，他们能够促进这些干细胞产生肺泡细胞。
Kim和Lee在肺纤维化小鼠模式动物中开展实验。只需获取位于肺部小血管内壁的内皮细胞---这些细胞能够天然地产生TSP-1---并体外培养后，将这些体外培养的细胞周围的液体直接注射这些小鼠体内，就能够逆转它们的肺部损伤。相反地，当在三维培养中使用缺乏TSP-1的肺内皮细胞时，这些干细胞产生更多的气道细胞。在经过改造缺乏TSP-1的活小鼠体内，气道修复能力在损伤之后增强了。
2.科学家研制出新型干细胞治疗肺纤维化
doi:10.1186/s12931-017-0611-0; doi:10.1002/sctm.16-0374
北卡大学医学院与北卡州立大学联合研究项目展示了如何运用微创的方法获取肺干细胞，进而扩增后用于治疗肺部疾病—— 一种潜在的，强有力的对抗肺部炎症和纤维化的治疗方法。
美国北卡州，教堂山报道——来自美国北卡大学（UNC）医学院和北卡州立大学（NCSU）的科研团队研发了一种具有广泛应用前景的使用干细胞治疗肺部疾病的方法，该方法可用于特发性肺纤维化（IPF），慢性阻塞性肺疾病（COPD）和囊性纤维化等多种严重肺部疾病的治疗。在美国有数千万人罹患这些致命的肺部疾病。 这一研究成果发表在《Respiratory Research》杂志上。该团队的科学家们证实，他们运用相对微创的、在医生办公室内即可完成的简易技术来收集人体的肺 干细胞 ，然后在实验室中进行扩增以获得足够多的细胞量用于临床病人的治疗。 同一时间，该团队的另外一项研究刊登在了《Stem Cells Translational Medicine》上。在这项研究工作中，他们将该种类型的肺细胞成功地运用到了啮齿类动物IPF模型的治疗中，一直以来IPF都被认为是一种以进行性肺功能下降为特征的慢性、不可逆性致命疾病。
在这两项研究的初期，Lobo和他的团队通过微创的经支气管活检技术从肺部疾病患者体内获得肺球样细胞。 Lobo教授称，“我们通过支气管镜钳取微量的、种子大小的气道组织标本，这种方法与传统的由胸部穿刺获得肺活检标本相比，显着降低了风险。” 在一项研究中，Cheng教授和他的团队从这些微量的组织标本中培养出肺球样细胞，并扩增至数以万计的数量，以满足在体治疗的需要。当他们将这些细胞静脉注射到小鼠体内时，他们发现大多数细胞聚集在了小鼠的肺部。 “这些细胞来源于肺部，所以在某种意义上它们更易于驻留在肺部，并在那里发挥作用。”
在第二项研究中，他们首先建立了IPF肺纤维化大鼠模型，然后给其中一组大鼠注射肺球样细胞。与其他安慰剂组相比，球样细胞治疗组具有更高的肺部整体细胞存活率以及更少的肺部炎症和纤维化。 Lobo教授称，“无论肺球体细胞是自体还是异体来源，都具有安全有效的治疗作用，也就是说即使是‘外来’的 干细胞 也不会像 器官移植 那样引起损伤性的免疫反应”。
3.两项研究利用人诱导性多能干细胞产生肺细胞，研究肺部疾病
doi:10.1172/JCI89950; doi:10.1016/j.stem.2017.03.001
图片来自Cell Stem Cell, doi:10.1016/j.stem.2017.03.001
多年来，研究囊性纤维化等肺部疾病的科学家们试图自始至终详细地追踪这些疾病的致病过程，以便理解肺部如何在正常情形下形成，从而可能有助解释是什么发生差错。如今，来自美国波士顿大学再生医学中心（Center for Regenerative Medicine, CReM）的研究人员宣布了他们取得两项重大的发现而有助进一步加深我们对这种过程的理解：培养和纯化由人干细胞产生的最早肺祖细胞（一种未成熟的肺细胞）的能力；让这些干细胞分化为微小的“支气管球体（bronchosphere）”的能力，这种支气管球体可用来构建囊性纤维化的疾病模型。他们希望这些结果将会导致人们开发出新的“个人化疗法”来治疗肺部疾病。第一项研究结果于2017年5月2日在线发表在Journal of Clinical Investigation期刊上，论文标题为“Prospective isolation of NKX2-1–expressing human lung progenitors derived from pluripotent stem cells”。第二项研究结果于2017年3月30日在线发表在Cell Stem Cell期刊上，论文标题为“Efficient Derivation of Functional Human Airway Epithelium from Pluripotent Stem Cells via Temporal Regulation of Wnt Signaling”。
CReM研究人员利用人诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）开展研究。他们获得人体中的成体细胞（如血细胞或皮肤细胞），将它们 “重编程”为iPSC。iPSC能够产生任何一种器官中的细胞。近年来，几个科学家小组利用人ipsC培育出肺细胞，但是他们的配方并不是完美的：所产生的肺细胞与许多肝细胞、肠道细胞和其他的组织细胞一起生长。
首先，波士顿大学医学院医科助理教授Finn Hawkins需要一种方法来鉴定这些肺细胞。Kotton和其他的CReM研究人员之前开展的研究已证实小鼠干细胞在分化为肺细胞的“命运决定”时刻表达Nkx2-1基因。Hawkins说，“这是表明肺细胞身份的第一个表达的基因。”Kotton构建出一个报告基因，使得这些小鼠干细胞首次表达Nkx2-1时会发出绿色荧光。Hawkins将这个相同的报告基因导入到人细胞中。如今，他能够轻松地观察到和纯化发出绿色荧光的肺细胞。
利用一台流式细胞仪，Hawkins和他的同事们从利用ipsC产生的细胞混合物中分离出发出绿色荧光的肺细胞，随后在一种基质中培养它们。Hawkins说，结果就是形成微小的发出绿色荧光的球体，该球体长大约0.5毫米，“由纯的早期肺细胞群体组成”。Hawkins团队将这种微小的球体称为“类器官（organoids）”，这种类器官含有关键的肺细胞类型。这种类器官允许科学家们详细地研究人肺部发育中的关键时刻。Hawkins说，“我们已发现在小鼠等其他物种中控制肺部发育的很多基因也在这些人肺细胞中表达。”
在第二项研究中，论文共同作者、CReM博士生Katherine McCauley对囊性纤维化感兴趣。囊性纤维化是一种由单个基因CFTR发生突变导致的肺部疾病。这种突变导致病人的肺部产生厚厚的粘稠的粘液，从而导致感染和炎症，最终导致肺功能衰竭。对很多病人而言，没有治愈这种疾病的方法。
研究这种疾病最早阶段的McCauley想要利用Hawkins纯化出的肺细胞开展下一步研究，和找出它们如何变成气道细胞。通过很多辛苦的实验，她着重关注Wnt信号通路。已知这种信号通路在小鼠肺部发育中发挥着重要的作用。通过关闭这个信号通路，她指导这些未成熟的肺细胞变成气道细胞。随后，她将它们培养成微小的“支气管球体”。
作为一项概念验证，McCauley从一名囊性纤维化病人体内获得两种细胞系：一种细胞系携带着导致这种疾病的CFTR突变，但已被校正；另一种细胞系也携带这种突变，但未被校正。她将这些细胞系培养成支气管球体。为了观察她的方法是否起作用，她开展测试，并且使用应当导致由正常的功能性细胞组成的支气管球体充满液体的药物。它确实起作用了：这些得到“校正的”支气管球体对这种药物作出反应，开始变得肿胀起来，而未得到校正的支气管球体并不会作出反应。McCauley说，“精彩的地方在于我们利用高通量显微镜对这一点进行测量，随后我们计算了支气管球体面积随着时间的变化。因此，我们如今能够定量地评价CFTR功能。”
4.Nature：肺干细胞的生命史
肺换气发生在结构精妙的肺泡囊中，其内壁有两种上皮细胞类型：鳞状1-型肺泡细胞(AT1细胞)和骰状2-型肺泡细胞(AT2细胞)。
前者介导换气；后者分泌防止肺泡在呼吸过程中崩溃的表面活性剂。Mark Krasnow及同事采用肺泡标记物、遗传世系追踪和克隆分析来在小鼠整个生命周期中对肺泡祖细胞进行活体识别。
他们发现，AT1和AT2细胞是在发育过程中从一种“双潜力”祖细胞形成的。在出生后，成熟AT2细胞起“兼性”干细胞的作用，形成再生肺泡的慢慢增大的单克隆位点。有致癌作用的Kras (G12D) 突变永久性地激发AT2自我更新，劫持这种“兼性”干细胞功能来启动肺癌。
5.Nat Nanotechnol：新方法可追踪单个肺干细胞活动
《自然—纳米技术》报道了一种可用来追踪小鼠肺部中单个干细胞活动的方法。这或许能帮助我们了解那些对移植干细胞相容性以及其在宿主体内再生能力有决定作用的因素。
Huan-Cheng Chang等人用荧光纳米钻石给肺部干细胞做好标记，然后将其移植入肺部损伤的小鼠体内。他们发现不只受损肺部细胞能够快速恢复，而且单个干细胞的吸收与再生活动也能被追踪到。
6.美科学家首次将人体干细胞转化为功能性肺细胞
doi:10.1038/nbt.2754
据物理学家组织网2013年12月1日报道，美国哥伦比亚大学医学研究中心的科学家首次成功地将人体干细胞转化成了功能性的肺细胞和呼吸道细胞。发表在今天出版的《自然·生物技术》杂志上的这一最新研究成果，可以帮助科学家们研究肺部发育、构建肺部疾病建模、筛查药物并最终制造出可供移植的肺部器官。
最新研究建立在斯诺耶克以前研究的基础上。早在2011年，斯诺耶克就发现了一套化学因子，能将人的胚胎细胞或诱导多能干细胞（iPS细胞）变成前肠内胚层（肺细胞和呼吸道细胞的前体）。ips细胞与人体的胚胎细胞非常接近，能分化为多种类型的细胞，但其可以由皮肤细胞生成，不像胚胎干细胞那样存在伦理争议，因而在研究中常常作为人类胚胎细胞的替代品。
在最新研究中，斯诺耶克和同事发现了新的化学因子，其能成功地将人的胚胎细胞或ips细胞完全变成功能性的肺上皮细胞（覆盖肺部表面的细胞）。他们得到的细胞表达了至少6种肺上皮细胞和呼吸道上皮细胞的标志物，其中包括二型肺泡上皮细胞。这种细胞非常重要，因为其会产生对维持肺泡（气体交换发生的场所）至关重要的表面活性物质；另外，当肺部受伤时，二型肺泡上皮细胞还会参与修复工作。
7.Nature：心脏和肺的干细胞的进化史
最近发表在Nature上的一篇文章阐明了肺的血管，连接心脏和肺的血管即使没有肺也能形成。在小鼠身上肺的发展抑制了肺血管的形成，而心脏的祖细胞或干细胞是心肺发展所必须的。
Edward E. Morrisey 带领的研究团队们发现了心脏中胚层有一群多动能的细胞，命名为 CPPs。CPPs 可以通过表达信号分子 Wnt2 ，从而与其它胚胎干细胞区分。
使用细胞系追踪分析，他们发现 Wnt2 细胞可以形成单独的克隆，反过来，形成心和肺组织，包括心肌细胞和血管细胞比如血管的平滑肌。确实， CPPs 能够形成大量的早期心和肺的胚胎细胞类型。这些研究表明不同的细胞系在肺内是相关的，比如平滑肌血管和呼吸道平滑肌在肺内共享一个祖细胞。
CPPs 的发展通过另一个已知的蛋白 hedgehog 调控，这个蛋白可以使肺血管和心得到合适的连接。这些研究表明 hedgehog 蛋白，表达在肺的祖细胞帮助促进 CPPs 分化成肺血管的平滑肌。
总之，这些研究发现了一群新的心肺祖细胞，用来协调心和肺的发展从而来适应陆地的生活。
8.Cell：新加坡科学家发现能够修复肺的干细胞
doi:10.1016/j.cell.2011.10.008
新加坡一个研究团队，确定了与肺部组织自我修复功能相关的干细胞具体种类。这一发现将有助了解肺部组织的修复机理。
科技研究局下属的遗传学研究所和分子生物学研究所科研人员及一些医学研究人员合作，发现远端干细胞与肺泡的生成密切相关。
研究人员从人体不同区域提取出3种干细胞——远端干细胞、气管干细胞和鼻上皮干细胞，进行克隆培养。尽管这些干细胞的相似度高达99%，但只有远端干细胞的试管内最后产生了新的肺泡。
9.NEJM：已首次确认可自我更新的人体肺干细胞
doi:10.1056/NEJMoa1101324
美国研究人员2011年5月11日说，已首次确认可自我更新的人体肺干细胞，或许能够为治疗慢性肺病提供帮助。
先前一些研究显示，研究人员可以借助人体胚胎干细胞培育肺细胞。不过，这次获得确认的肺干细胞来自经由外科分离的成人肺组织。最新研究成果论文刊载于美国《新英格兰医学杂志》（NEJM）周刊。
论文作者之一、美国布里格姆再生药物研究中心负责人皮耶罗·安韦萨告诉法新社记者：“这项研究第一次描述了真正的肺干细胞。”
安韦萨说，之所以称这次发现的细胞为真正肺干细胞，原因包括这些细胞可以自我更新、可以形成各种不同形式的肺细胞。
10.Nature Genetics：激活关键分子路径能增加肺干细胞
doi:10.1038/ng.157
美国科学家近日研究发现，激活一个重要的分子路径能够增加肺干细胞。这一发现有助于开发相关治疗方案以进行伤后或病后肺部组织的修复。相关论文发表在《自然—遗传学》（Nature Genetics）上。
美国宾夕法尼亚大学医学院的Edward Morrisey和同事研究发现，激活Wnt信号路径能够增加细支气管肺泡干细胞（bronchioalveolar stem cells）的数量。一种名为GATA6的蛋白能够抑制Wnt路径，方式是通过直接调控Wnt路径中另一种名为Fzd2的蛋白的表达。
Wnt路径是干细胞生物学中一个主要的路径。GATA6负调控Wnt路径并且其已被证明在胚胎干细胞复制和分化中也起重要作用，这表明这两种路径相关联的地方不限于肺干细胞，它们在心脏、肠道以及胰腺等组织中也发挥着重要作用。
11.人类干细胞向肺细胞转化获得成功
doi:10.1089/ten.2006.12.867
英国的科学家成功将人类干细胞转化为肺细胞，在成功构建移植肺脏的道路上迈出了第一步。研究结果发表在最新的《组织工程杂志》（the journal Tissue Engineering）上。
英国皇家大学的Julia Polak教授领导了该项研究，研究者提取出人类干细胞，将其直接转化成具有气体交换功能的成熟肺泡上皮细胞。
研究者首先获得人类干细胞，在实验室中的一种特殊分化诱导体系中进行培养，最终分化为具有呼吸功能的肺脏上皮细胞，可以吸收氧气，排出二氧化碳。这是首次对胚胎干细胞进行的成功转化，下一步将会对其他来源的干细胞进行实验研究，例如脐带血或骨髓中的干细胞进行培养，以求能扩展干细胞的来源问题。
来自伦敦皇家大学Chelsea 和 Westminste医院的Anne Bishop指出：尽管距离能够成功构建供移植的肺组织还要很长一段时间，这一结果在严重损伤的肺组织修复道路上迈出了关键性的一步。
