行为与健康

气道细胞的再生与衰老是如何合作

07/27/2020

显微镜图像显示年轻(左)和衰老(右)的气道细胞干细胞,细胞核为蓝色,气道基底干细胞为红色,纤毛细胞为绿色。

来自加州大学洛杉矶分校再生医学与干细胞研究中心(Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research at UCLA)的研究人员,发现了肺气道内干细胞两个阶段转换的过程——即通过创造自身细胞与生产成熟的气道细胞来再生受损的肺部组织。

这项发表在《细胞干细胞》(Cell Stem Cell)杂志上的研究还阐明了衰老与肺部再生疾病间的关系,例如肺癌与其他疾病等。

Brigitte Gomperts博士是加州大学洛杉矶分校儿童发现与创新研究所(UCLA Children’s Discovery and Innovation Institute)儿科血液肿瘤学研究的教授和副主席,也是这篇论文的资深作者。他提到,“这些发现将为我们研发一种改善气道健康的靶向治疗提供信息。”

气道将人们从鼻子和嘴吸入的空气输送到肺部,是人体抵抗空气传播颗粒(如细菌和污染)的第一道防线。

两种类型的气道细胞在这一过程中发挥了重要作用:即粘液细胞,通过分泌粘液吸附有害粒子;纤毛细胞,即利用触手般的感应器将粘液吞灭的有害粒子清扫至喉咙后面,以达到清理肺部的作用。

人们每天吸入的传染性或毒性颗粒会损伤气道,当这种情况发生时,能够自我更新并产生黏液和沿气道排列的气道基础干细胞——纤毛细胞——就会激活以修复损伤。

为了保持每一种细胞类型的平衡,气道基础干细胞必须从增殖阶段过渡到分化阶段,在这一阶段他们创造大量自身细胞,在分化阶段,他们产生成熟的气道细胞。

“这些干细胞必须维持一种非常微妙的平衡” Gomperts博士说,作为加州大学洛杉矶分校琼森综合癌症中心癌症和干细胞生物学项目的联合主任。他认为,“这些干细胞必须产生适量的粘液和纤毛细胞,以将有害颗粒阻挡在肺部之外,但它们还必须自我复制,以确保有足够的干细胞对下一次损伤做出反应。”

在新的研究中,研究人员检查了肺损伤的小鼠,分析了不同类型的细胞在小生态位中是如何协同工作来协调修复反应的。小生态位是气道基础干细胞周围的支持性环境。

他们发现一组被称为Wnt/β-连环蛋白信号通路的分子能够激活气道基底干细胞对损伤做出反应。研究人员惊奇地发现,这组分子起源于特定的细胞类型,增殖成为另一种细胞类型,开始分化。

在修复的增殖阶段,一种叫做成纤维细胞的结缔组织细胞分泌Wnt分子,它将向干细胞发出信号,发出进行自我更新的通知。在修复的分化阶段,Wnt分子由构成组织和器官的上皮细胞分泌,向干细胞发出信号,通知开始制造成熟的气道细胞。

了解健康肺部的再生是如何发生的,是了解当再生过程出错时疾病如何产生的关键第一步。为了了解这一过程以及激活这一过程的细胞在疾病中可能扮演的角色,科学家们以老年老鼠为实验对象进行了研究。

“我们惊奇地发现,在老化的气道中即使没有损伤,Wnt/β-连环蛋白信号通路是活跃在干细胞中,与年轻的气道,仅在收到刺激时产生,形成对比。“论文的第一作者、加州大学洛杉矶分校医学院的学生Cody Aros提到,“当这种途径被激活时,它会刺激干细胞进行自身复制并产生更多的气道细胞——即使它们并不需要。”

基于Gomperts博士实验室先前的研究,目前已经建立了活跃的Wnt/β-连环蛋白信号通路和肺癌之间的联系。

“细胞分裂得越多,就越有可能出现校对错误或突变,从而导致癌症,”Gomperts博士说。

本篇新论文建立在这一工作的基础上,不仅确定了衰老过程中出现问题的原因,而且精准地确定了问题出现的时间。

Aros说:“这些发现让我们了解到哪种细胞类型是重要的,哪种途径是重要的,以及什么时候我们可能需要考虑通过干预治疗来防止癌症的形成。”

这项研究是由加州大学洛杉矶分校医学科学家训练计划,美国国立卫生研究院,加州大学洛杉矶分校玫瑰山泛干细胞研究中心研究生奖学金,烟草相关疾病研究项目,阻止癌症奖和加州大学洛杉矶分校琼森综合癌症中心和加州大学洛杉矶分校泛干细胞研究中心学者计划资助。

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