絕對乾貨：呼吸道干/祖細胞有幾種？
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在呼吸專題系列的第一期里我們聊了霧霾的危害。大家都知道呼吸系統是首當其衝遭受霧霾危害的器官。那麼，我們的呼吸系統具有怎樣的防禦功能來抵制霧霾損傷呢？那就是在損傷情況下呼吸道具有的干/祖細胞的自我增殖和分化功能。人呼吸道和肺內的干/祖細胞有幾種？讀了這篇簡短綜述，就會讓您一目了然。
人類在呼吸過程中，吸入外界空氣，空氣中的氧氣通過呼吸進入循環系統，同時體內細胞產生的二氧化碳通過肺泡和毛細血管的氣體交換排到外界空氣中。人體呼吸道可分為傳導區和呼吸區。傳導區包括鼻腔通道、氣管、主支氣管、肺內支氣管和細支氣管，具有加溫、濕潤、過濾等保護功能，不參與換氣流程。從氣管到末端細支氣管， 隨著呼吸道的不斷分支，各級分支的直徑和長度逐步縮小/縮短。呼吸區包括呼吸性細支氣管、肺泡管和肺泡囊。呼吸區是肺腔內吸入的空氣與肺毛細血管中的血液進行換氣（經肺通氣進入人肺泡的新鮮空氣與血液進行氣體交換，氧氣從肺泡順著分壓差擴散到靜脈血，而靜脈血中的二氧化碳，則向肺泡擴散）的場所。1,2
從鼻腔通道到肺泡囊的整個人體呼吸道覆蓋著一層連續的上皮細胞，但是傳導區和呼吸區的上皮細胞在形態和細胞成分上卻各有不同。在包括鼻腔通道、氣管和支氣管在內的傳導區的最近端部位，呼吸道上皮細胞的形態為假復層纖毛柱狀上皮細胞。距離傳導區越遠（分支增多，呼吸道內徑縮小），此上皮細胞的厚度越薄，且在小呼吸道（細支氣管）形成類似立方上皮細胞。大呼吸道上皮細胞主要由三種細胞類型構成：可分泌粘液的杯狀細胞、可通過與頂部纖毛進行協同擺動而促進粘液運動的纖毛細胞，以及在基底膜上排列且不與上皮細胞頂面接觸的基底細胞。細支氣管內的立方上皮細胞由兩種細胞類型構成：分泌細胞和纖毛細胞，但是其含有的纖毛細胞數量要比近端大呼吸道所含數量要少。肺泡上皮細胞分為I型肺泡上皮細胞和II型肺泡上皮細胞（AEC）。肺泡細胞通過毛細血管的內皮細胞基膜，與內皮細胞融合，形成換氣屏障。
呼吸道上皮細胞一直進行著緩慢而持續的動態代謝平衡。當發生中輕度損傷，呼吸道上皮細胞會及時做出反應，重建上皮細胞層，恢復其正常的結構和功能。這個上皮細胞修復的過程主要由呼吸道干/祖細胞來完成。3-10
有證據表明, 不同種類的上皮干/祖細胞分布在肺部的位置不同：基底細胞（Basal Cell）分布在氣管和大支氣管12；分泌細胞（Club Cell）分布在支氣管和細支氣管12；肺泡幹細胞（BASC）分布在細支氣管肺泡管連接處（BADJ）；13II型肺泡上皮細胞則分布在肺泡區。14
基底細胞 (Basal Cell)
越來越多的證據表明，基底細胞為分布在氣管支氣管部位的多能祖細胞，在出生後不同發育階段和穩態周期內，既可進行自我更新，又可形成纖毛細胞譜系和分泌細胞譜系，並且可以在上皮細胞受損後，進行修復。以上認知是從體內遺傳譜系示蹤研究和體外培養（氣液界面（ALI）培養和三維球狀形態（克隆形態）培養中）總結出來的。在運用此類培養技術，可以發揮單細胞自我更新和分化的潛能。這些方法均需用標誌物對基底細胞進行精準標示，但是這些標誌物對基底細胞祖細胞的功能上的重要性尚不明確。應用最廣泛的基底細胞標誌物有P63、IGTA6、NGFR、KRT5，KRT14。所有這些標誌物中，最為常用的是KRT5和KRT14。KRT5可以在所有的基底細胞中進行標記，而只有當上皮細胞的代謝速率較低時，通常採用KRT14來標記出穩態子代基底細胞。23這就說明：不同基底細胞間存在功能異質性，只有少數基底細胞能夠形成多個成熟細胞譜系。根據KRT14-CreER追蹤，對小鼠氣管和支氣管上皮細胞進行的譜系示蹤研究的結果表明：在呼吸道受損的情況下，基底細胞子代可轉化為多能或單能細胞。在對因強酸、洗滌劑或系統性萘攝入等各種介質攝入而使腔細胞受損，進而進行修復的過程中，用KRT5和KRT14進行標記的雙陽性基底細胞，無論是單獨存在或是以小集群形式存在的，均呈現出暫時性的數量增加。這一結果表明：當基底細胞被「激活」進行增殖時，KRT14標誌物的表達水平上調。但是，還有研究結果認為所有的基底細胞均能進行多向分化，而且基底細胞祖細胞的分化命運是受到局部環境和損傷機制的影響。11-19
分泌細胞 (Club Cell)
與人體肺部的再生療法實際相關的一個問題是：基底細胞是否是唯一能有效修復假復層上皮細胞的細胞，或分化的細胞是否能在特定條件下去分化或轉分化。在Rajagopal 實驗室近期發表的一篇主要論文中，採用了一種方法專門殺死小鼠體內氣管中的KRT5+標誌物和基底細胞，在這種情況下，研究人員發現分化的 SCGB1A1+分泌細胞可返回到祖細胞狀態，轉而成為P63和 KRT5標記的雙陽性基底細胞。這些基底細胞能夠長期積蓄，與正常的KRT5+標記的祖細胞功能相似。通過體外培養，論文作者進一步證明：基底細胞之間的細胞間連接可以阻止表層分化細胞的去分化，但是還需對去分化的重新驅動程序的精準機制以及隨後產生的幹細胞功能進行進一步研究。20
細支氣管肺泡幹細胞（BASC）
最細小的末端細支氣管與肺泡之間的過渡區被稱之為細支氣管肺泡管連接處。小鼠體內的此部位包含纖毛細胞和分泌細胞，但是人體內的此部位所分布的細胞，尚不明確。將小鼠體內細支氣管肺泡管連接處的少量細胞（每個氣管有1~2個細胞）共同標記為Scgb1a1 （分泌細胞）和肺泡表面活性蛋白C（Sftpc），肺泡表面活性蛋白C是II型肺泡上皮細胞特有的一種蛋白。其結論為：此類雙陽性細胞為細支氣管肺泡幹細胞。之所以被稱之為細支氣管肺泡幹細胞，是因為當被熒光活化細胞分選方法所分離時，此類細胞會在培養皿中生成細支氣管細胞和肺泡細胞。Kim及其同事進一步通過採用精緻的3D克隆共同培養方法，證明了肺內皮細胞中的BMP4-NFATC1-TSP軸可以誘導細支氣管肺泡幹細胞分化成肺泡譜系。30
II型肺泡上皮細胞（AEC2）
氣體交換部位的主要上皮細胞類型包括：立方II型肺泡上皮細胞（主要生產和分泌表面活性蛋白）和扁平的I型肺泡上皮細胞（主要進行換氣）。成年小鼠的肺泡部位的細胞新陳代謝一般比較慢，因此很難追蹤到穩態的譜系關係。但是，在對肺泡細胞進行實驗性損傷，或讓其接受氧化應激作用的情況下，存活的細胞將快速增殖，並激活細胞修復機制。過去40年一直採用H3胸苷標記法進行的研究結果表明，當因組織內氧氣過多或一氧化碳過多導致上皮細胞受損後，成年猴和小鼠的II型肺泡上皮細胞會進行增殖，並分化成I型肺泡上皮細胞。近期，針對體內遺傳譜系示蹤的研究肯定了成熟的II型肺泡上皮細胞有這種自我更新和分化能力。上述體內遺傳譜系示蹤研究採用與終末分化細胞（包括肺泡表面活性蛋白C和Lyz2）相關的基因驅動的Cre重組酶。在穩態的新陳代謝情況下，單個II型肺泡上皮細胞很少發生克隆性增殖，亦很少分化為I型肺泡上皮細胞。當博萊黴素和氧氣過多對肺泡部位造成損傷之後，標記為II型肺泡上皮細胞的譜系分化為I型肺泡上皮細胞的比例明顯增高。14
近年來，幹細胞和祖細胞譜系的識別以及這些細胞在成人體內的活動的相關研究發展很快。相對而言，分子水平的信號通路對細胞行為的調控方面的研究發展緩慢。 普遍認為，個體發育過程中使用的主要分子信號通路在肺部細胞修復過程中被激活而發揮著重要作用，但是這些觀點需要進一步在生理或臨床相關實驗模型上測試證明。探索肺形成的機制，尤其是肺泡形成領域的研究，方興未艾。支氣管上皮的氣液界面培養系統，和近幾年流行起來的體外類器官培養（支氣管類器官和肺泡類器官）系統為解決這些呼吸干/祖細胞領域的問題提供了最佳的技術支撐和研究平台。
呼吸專題的下一期，我們會具體談一下呼吸道體外建模（包括氣液界面培養法和3D類器官培養法）的歷史，最新進展和應用。敬請關注！
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