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              湯楠實驗室發現特發性肺纖維化(IPF)發病的全新機制

              發布時間:2019/12/20


              2019年12月19日,北京生命科學研究所/清華大學生物醫學交叉研究院湯楠實驗室在《Cell》雜志在線發表了題爲 “Progressive pulmonary fibrosis is caused by elevated mechanical-tension on alveolar stem cells” 的研究論文。作者建立了世界上首個IPF小鼠疾病模型,並進一步闡明:肺泡再生障礙導致肺泡幹細胞暴露于持續升高的機械張力,是誘發肺纖維化從肺葉邊緣起始並不斷向肺中心進行性發展的關鍵驅動因素。

              特發性肺纖維化(Idiopathic Pulmonary Fibrosis, IPF)是一種常見的肺泡疾病,肺健康組織被過量的間質細胞和細胞外基質逐漸取代,導致肺泡結構被破壞、肺泡區域逐漸致密化,最終導致呼吸衰竭和死亡。IPF患者診斷的中位生存時間爲2-4年, 約80%的患者從確診到死亡不超過5年,五年生存率僅高于胰腺癌和肺癌,因而被無奈地稱作“不是癌症的癌症”。因爲IPF發病年齡大多在50-70歲之間,隨著人口的老齡化,在全球範圍內,該疾病的發病率越來越高,世界IPF聯合協會統計,大約有320萬人患IPF,每年新增122萬病例。

              基于影像學及病理組織學的數據,IPF的主要特征爲肺泡間質細胞進行性地增生和富集,其中,進行性是指纖維化病變由邊緣起始並向中心不斷蔓延的過程,最終導致呼吸功能的衰竭,同時也是IPF最爲致命的特征。由于缺乏模仿IPF疾病進行性發展的動物模型,該疾病的發病原因及分子機制目前仍不清楚, 因此沒有有效的治療進行性肺纖維化和延長生存時間的方法。研究疾病發生和發展的機制是開發治療疾病的新方法的關鍵。

              湯楠實驗室一直致力于探究肺損傷後肺泡再生的調控機制。該實驗室前期建立了左肺切除(Pneumonectomy, PNX)誘導肺泡再生的小鼠模型。通過研究發現,左肺切除手術後剩余肺泡(右肺)被暴露于升高的呼吸張力下,因此激活了肺泡幹細胞的增殖和分化,最終新肺泡的建立,呼吸功能的恢複,肺泡區域的呼吸張力恢複到正常生理水平。

              湯楠實驗室的研究人員發現細胞周期調控蛋白Cdc42在肺泡再生過程中發揮了重要的作用。Cdc42基因缺失的肺泡幹細胞在肺損傷後無法建立新的肺泡,導致了升高的肺泡張力無法恢複到正常生理水平。當研究人員繼續追蹤該肺泡再生障礙小鼠(Cdc42 肺泡幹細胞null小鼠)時,發現小鼠的肺部發生纖維化病變,同時病程模擬了IPF的疾病發展。具體表現如下:1)小鼠肺纖維化進展從肺葉邊緣起始並不斷向肺葉中心進行;2)肺泡逐步被過度增殖的成纖維細胞和增加的細胞外基質所替代;3)小鼠肺活量和肺順應性進行性下降,小鼠最終死于呼吸功能衰竭。同時,在老年Cdc42 null小鼠裏,研究人員也能觀察到同樣的病理改變。

              通過單細胞測序分析,研究人員發現肺纖維化的小鼠肺部富集了一群肺泡幹細胞亞群。進一步的生物信息分析表明該幹細胞亞群是肺泡幹細胞分化過程中的一種中間態。通過和IPF病人肺泡幹細胞單細胞測序數據庫的比較,研究人員發現:1)小鼠模型中激活的肺泡幹細胞亞群裏上調的基因與IPF病人的肺泡幹細胞中上調的基因有高度重疊;2)小鼠肺泡幹細胞亞群和IPF病人肺泡幹細胞中都有顯著升高的機械張力相關信號通路和TGFbeta信號通路。

              與IPF相似的發病模式以及高度重疊的上調基因讓研究人員猜想:機械張力相關的信號通路和TGFbeta信號通路可能共同參與了IPF發病。爲了探究這個猜想,研究人員首先將假體置于左肺切除手術(PNX)後的Cdc42 null小鼠胸腔中,進而緩解了PNX誘導的肺泡呼吸張力的增加,結果發現假體的植入可以顯著抑制肺纖維化的進展。另一方面,研究人員在Cdc42缺失的肺泡幹細胞中,通過對TGFbeta信號通路進行幹擾(分別幹擾配體和受體),發現在Cdc42 null的再生障礙的小鼠中,阻斷AT2細胞中的TGFbeta信號通路可以顯著阻止肺纖維化的進展。

              在臨床研究中,醫生們通過影像學掃描觀測到IPF病人纖維化的發病模式是從肺葉邊緣到中心,並把該特征作爲IPF的關鍵診斷標准。但是,爲什麽肺纖維化會起始于肺邊緣和爲什麽纖維化是進行性,相關的發病機制卻完全不清楚,這也是在本研究之前沒有一個真實模仿IPF小鼠模型的關鍵。基于此,研究人員采用機械通氣手段對小鼠進行不同程度從低到高的呼吸機械張力模擬,同時結合數學模型運算和擬合,證明了隨著呼吸運動機械張力的增加,位于肺葉邊緣的肺泡首先承受高的機械張力,高的機械張力進一步激活肺泡幹細胞中不斷級聯放大的TGFbeta信號通路,從而誘導肺泡周圍間質細胞的響應和激活。

              綜上,湯楠實驗室的研究人員在本文中首次建立了高度模擬IPF發病特征的小鼠疾病模型,並進一步發現Cdc42缺失的肺泡幹細胞由于無法分化和建立新肺泡,導致肺泡幹細胞被持續暴露于升高的肺泡機械張力下,從而持續激活肺泡幹細胞裏TGFbeta信號通路,最終導致從邊緣到中心的肺纖維化病變。該研究從細胞行爲和分子機理雙重層面闡述了進行性肺纖維化的發生和發展,爲肺纖維化的研究和治療提供了思路。

              該研究成果起源于對偶然發現的小鼠表型的不懈的研究。湯楠實驗室學生武慧娟在2015年首次在成年Cdc42敲除小鼠上觀察到肺纖維化病變,並進行了長時間的小鼠表型追蹤。生存曲線和老年小鼠發病的實驗曆時兩年。在2016年,在中日友好醫院的代華平教授的幫助下確認了Cdc42敲除小鼠的肺纖維化病變高度模仿人肺纖維化的病理改變。在NIBS測序中心黃煥偉的幫助下進行了基因表達譜分析,並和發表的IPF病人的數據庫進行比較,看到了多個和病變相關的信號通路和相關基因的改變。爲了進一步驗證,NIBS轉基因動物中心做了多個條件性基因敲除小鼠,湯楠實驗室的于元元、王诤、付思玲在雙敲除和多敲除的小鼠表型追蹤上投入很多。一直到2018年,最終的靶向信號通路才得以確定。之後,進一步結合肺功能分析(湯楠實驗室于元元建立)、數學模型(清華大學胡煜成博士建立)和力學手段測量(清華大學楊春教授和學生楊雪藝幫助),關于小鼠表型的多個謎團才得以揭示。2019年夏天,在無錫市人民醫院陳靜瑜教授團隊的幫助下,拿到了人的標本,進行了驗證。感謝NIBS電鏡中心在電鏡樣品制備和拍攝過程的幫助。該研究由國家重點研發計劃重點專項和北京市科技重大專項資助,在北京生命科學研究所完成。

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