2月，我院干细胞基地左为教授、吉美瑞生超级器官研发中心张婷博士团队与我院呼吸与危重症科郭忠良教授团队合作，在《自然 通讯》(Nature Communications)杂志(影响因子16.6)在线发表题为“Cloned airway basal progenitor cells to repair fibrotic lung through re-epithelialization”的研究工作。该研究揭示了克隆的肺前体细胞可通过完成受损肺泡区域的再上皮化(re-epithelialization)来修复肺纤维化损伤，为特发性肺纤维化（IPF）等重大呼吸系统疾病的干细胞治疗提供了坚实的理论基础。
IPF是一种慢性、进行性、纤维化性间质性肺疾病，现有的抗纤维化药物仅能延缓疾病进程，IPF诊断后的平均生存期仅2.8年，死亡率高于大多数肿瘤，IPF也被称为一种“类肿瘤疾病”。
本研究团队首先通过小鼠和灵长类动物模型，证实内源性肺前体细胞（P63⁺ KRT5⁺）在纤维化肺损伤后会迁移至肺泡区。为克服患者临床样本异质性难题，研究团队与海尔生物合作开发了自动化细胞培养系统，基于CT影像定位患者肺部健康区域，从3-5级支气管刷检样本中成功分离人源气道基底前体细胞。通过大规模的Bulk转录组测序，团队揭示了从患者健康区域分离的前体细胞并未表现出先前报道的疾病相关促纤维化和促炎基因，表明这些细胞并非致病性细胞，且相对保持正常功能。
随后，研究团队把分离的人源肺前体细胞进行GFP绿色荧光蛋白标记后，移植到博来霉素诱导的肺纤维化模型小鼠的受损肺脏中，探究其时空动态分化特征。在移植8天后，在小鼠肺脏受损的肺泡区域观察到大面积外源性人源细胞的整合，并且这些定植的细胞呈现出立方体的豆荚样结构。在移植35天后，定植的细胞发生了显著的转变，呈现出扁平的形态，并在肺泡区域形成肺泡样的气囊样 (saccular) 结构；通过3D重构对定植细胞的空间位置进行解析，研究团队发现，移植的前体细胞形成的气囊在结构上与小鼠支气管相连，形成了功能性新生气道。
研究团队对移植35天的“人鼠嵌合肺”进行高分辨率空间转录组学和病理学分析，结果显示这种再上皮化可以显著减少细胞定植区域附近的纤维化和炎症水平，有效阻挡纤维化进程和免疫浸润，改善小鼠的血气交换功能和生存率。单细胞转录组测序显示，移植的人肺前体细胞在小鼠体内随时间进程逐渐丧失了P63的表达，进而在气道区域可以分化形成Club细胞和纤毛细胞，而在肺泡区域分化形成表达CLDN4等紧密连接蛋白的气囊细胞，重建上皮屏障。肺泡区域内一小部分细胞可以进一步分化为CLIC5+/AQP5+双阳性细胞，表达紧密连接蛋白CLDN3。
有趣的是，研究团队还从其他哺乳动物（犬、猪、山羊）和鸟类（鸽子）肺脏中克隆了P63+肺前体细胞。这些多物种来源的前体细胞同样能够在小鼠肺内再生气囊结构，并且与这些物种天然的肺泡结构具有高度相似性。研究团队首次构建了鸟类和哺乳动物的嵌合体。上述研究表明，基于肺前体细胞的肺再上皮化过程可能是四足动物进化过程中的一种保守机制。团队还发现山羊的肺前体细胞具备异常强大的肺泡再上皮化修复能力，可以完全“治愈”肺纤维化的小鼠。
综上，本研究首次揭示了P63+气道基底层来源肺前体细胞在肺泡区域内的分化命运和修复功能，移植的前体细胞通过分化为表达紧密连接的气囊结构，从而重新建立上皮屏障。这种再上皮化能够作为一种“创可贴”修复手段，促进肺部再生和修复，为结构损伤性重大呼吸系统疾病的干细胞治疗提供了坚实的理论基础。
左为教授、张婷博士、郭忠良教授为本论文的共同通讯作者，同济大学医学院博士生赵宇、周悦青与张惟番为本文的共同第一作者。本研究获国家生物药技术创新中心“揭榜挂帅”项目、国家重点研发计划“干细胞研究与器官修复”专项、国家自然科学基金以及吉美瑞生公司资助。（左为 郭忠良）