Nature | 解析人肺纤维化进程，绘制抗纤维化因子图谱

摘要：肺纤维化是一种严重的疾病，健康的肺组织被富含胶原蛋白的基质所取代。这种疾病可以发生在几乎所有器官中，但在肺部尤其常见和严重。肺纤维化可以由多种因素引起，包括暴露于刺激性物质或呼吸道感染后的急性损伤【1】。在间质性肺疾病（ILD）中，例如特发性肺纤维化（IPF）

撰文 | 格格

肺纤维化是一种严重的疾病，健康的肺组织被富含胶原蛋白的基质所取代。这种疾病可以发生在几乎所有器官中，但在肺部尤其常见和严重。肺纤维化可以由多种因素引起，包括暴露于刺激性物质或呼吸道感染后的急性损伤【1】。在间质性肺疾病（ILD）中，例如特发性肺纤维化（IPF），纤维化会持续进展，导致肺功能下降，最终导致死亡【2】。肺纤维化是一种慢性疾病，缺乏有效的治疗方法，因此迫切需要阐明介导纤维化进展和消退的生物机制。目前，肺部的组学研究主要集中在纤维化进展方面，而对介导纤维化消退的因素研究较少。单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）已经揭示了多种促纤维化细胞亚群，例如Acta2+肌成纤维细胞、Pdgfrb+间充质细胞和Cthrc1+成纤维细胞【3-5】。然而，肺成纤维细胞在皮肤瘢痕形成、肿瘤侵袭和纤维化中的潜在抗纤维化作用尚未得到充分探索。

近日，来自美国斯坦福大学医学院整形与重建外科系的Michael T. Longaker研究团队在Nature杂志发表题为Histological signatures map anti-fibrotic factors in mouse and human lungs的研究论文，该研究利用博来霉素诱导的肺纤维化模型，通过分析成纤维细胞异质性及其时空变化，揭示了促纤维化和抗纤维化因子，并利用Visium技术进一步揭示了组织内异质性的生物因子。

研究人员首先利用高维纤维算法分析了博来霉素处理后肺组织学结构随时间的变化。通过分析2500多张天狼猩红染色图像，研究人员发现，肺纤维化过程中，胶原纤维逐渐增厚、成熟胶原增多，纤维组织逐渐紊乱，形成不规则的纤维网状结构。而随着时间推移，纤维化组织逐渐消退，胶原纤维逐渐变薄，组织结构恢复到基线水平，即与健康肺组织相似的结构。

研究人员进一步分析了与纤维化相关的组织学特征，发现低孔隙率、低像素对比度和高纤维间几何变异性是纤维化组织的重要特征。这些特征反映了纤维化过程中组织的结构紊乱和胶原沉积增多。

为了探究成纤维细胞在肺纤维化过程中的角色，研究人员使用scRNA-seq技术分析了纤维化和消退不同阶段的肺细胞，并重点关注成纤维细胞亚群。研究发现，在纤维化阶段，ECM-分泌成纤维细胞（Csmd1+）富集，并表达促纤维化相关基因，如Col1a1、Spp1和Ltbp2。

在消退阶段，促消退成纤维细胞（Cd248+）富集，并表达与血管生成和细胞因子抑制相关的基因。研究人员还发现，成纤维细胞与肺泡上皮细胞之间存在相互作用，并且在纤维化和消退阶段表现出不同的信号通路。为了进一步探究成纤维细胞表型的调控机制，研究人员使用单细胞ATAC测序技术分析了成纤维细胞表型的表观遗传调控机制。研究发现，在纤维化阶段，成纤维细胞激活相关基因（如Cd47和Igf1）的开放染色质区域增多。在消退阶段，成纤维细胞表观遗传组则富含与血管生成、细胞因子抑制和发育转录因子相关的基因，表明成纤维细胞表型的转变受到表观遗传调控的影响。

为了探究成纤维细胞在肺组织中的空间组织，研究人员使用Visium空间转录组学技术分析了肺组织中成纤维细胞的细胞空间组织。研究发现，成纤维细胞与肺泡上皮细胞共同影响着肺组织的细胞空间组织。研究人员还发现，不同表型的成纤维细胞占据着不同的细胞生态位，并表现出不同的细胞间相互作用。在纤维化阶段，促纤维化成纤维细胞与炎症细胞相互作用频繁。在消退阶段，促消退成纤维细胞则与肺泡上皮细胞和内皮细胞相互作用频繁。

为了验证小鼠研究中发现的成纤维细胞生态位相关蛋白PI16和SERPINE2对人类肺组织的影响，研究人员使用人类肺切片模型进行了评估。研究发现，PI16 能够抑制纤维化进程，而SERPINE2能够促进纤维化进程。这些结果表明，PI16和SERPINE2可能成为治疗肺纤维化的潜在靶点。最后，研究人员使用CODEX技术对人类IPF组织和正常肺组织进行蛋白质水平空间表型分析。研究发现，人类肺组织中存在三种成纤维细胞亚群：PDGFRα+、CSMD1+和CD248+。研究还发现，CSMD1+成纤维细胞与促纤维化相关，而CD248+成纤维细胞与抗纤维化相关。这些结果表明，人类肺纤维化中也存在与小鼠相似的成纤维细胞异质性和生态位差异。

总之，该研究揭示了肺部纤维化过程中存在两种主要的成纤维细胞亚型：分泌细胞外基质（ECM）的成纤维细胞和促修复成纤维细胞。这两种亚型在组织中的不同定位和相互作用网络以及它们在纤维化进程中的作用机制，为开发针对肺部纤维化的治疗方法提供了新的思路和靶点。

制版人：十一

参考文献

1. Michalski, J. E., Kurche, J. S. & Schwartz, D. A. From ARDS to pulmonary fibrosis: the next phase of the COVID-19 pandemic?Transl. Res.241, 13–24 (2022).

2. Glassberg, M. K. Overview of idiopathic pulmonary fibrosis, evidence-based guidelines, and recent developments in the treatment landscape.Am. J. Manag. Care25, S195–S203 (2019).

3. Xie, T. et al. Single-cell deconvolution of fibroblast heterogeneity in mouse pulmonary fibrosis.Cell Rep.22, 3625–3640 (2018).

4. Tsukui, T. et al. Collagen-producing lung cell atlas identifies multiple subsets with distinct localization and relevance to fibrosis.Nat. Commun.11, 1920 (2020).

5. Kheirollahi, V. et al. Metformin induces lipogenic differentiation in myofibroblasts to reverse lung fibrosis.Nat. Commun.10, 2987 (2019).

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