難於上青天：我國科學家揭開肺泡發育之謎
湯楠實驗室為Developmental Cell封面提供的圖案，中國風的蓮藕代表肺泡祖細胞，荷葉代表扁平的肺泡一型細胞，花苞則代表立方體的肺泡二型細胞。本圖由北京生命科學研究所石孟利製作。
撰文 | 李晗冰（本刊特約作者）
責編 | 李曉明
知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual
俗話說「人活一口氣」，氧氣和二氧化碳在人體內的交換，就是通過數以億計的肺泡和它們周邊的毛細血管共同完成的。那麼，在人體胚胎髮育過程中，肺泡是如何形成的？羊水偏少為什麼會導致胎兒肺功能發育不全？
我國科學家的一項新發現，初步揭開了這些謎底。北京生命科學研究所湯楠實驗室在世界上首次直觀地描述了肺泡的發育過程，並進一步闡明了肺泡上皮細胞的分化機制。這一重要突破不僅為體內很多幹細胞的增殖分化研究提供了新的思路，也為預防和治療肺功能發育不全等相關疾病提供了重要的參考。
相關論文以封面文章的形式，刊發在最新出版的國際學術期刊《發育細胞》（Developmental Cell）上。
「肺泡的發育機制一直不清楚，其中一個主要的原因是從來沒有人實時觀察過肺泡的發育過程。」著名發育生物學家、杜克大學細胞生物系系主任、美國科學院院士布瑞吉德·侯根（Brigid L.M. Hogan）專門為這篇文章繪製了肺泡形成以及肺泡上皮祖細胞分化的機制示意圖，並撰寫評論道：「這項研究克服了這個障礙並取得了重大進展。該研究通過觀察到肺泡祖細胞在肺泡組織發育和分化過程中的改變，提出了一個機械力和生長因子共同調控肺泡發育的全新模型。」
搞清肺泡發育機製為何非常重要
300年前，科學家們發現，在肺臟中存在無數個環形的蜂窩狀空腔，從外界吸入的氧氣和人體代謝中產生的二氧化碳，就是在這些空腔中完成的。
左圖是掃描電鏡下的未吸煙的正常人的肺泡，右圖是一個有很長吸煙史的人的肺泡。來自文獻圖片
「這些中空的囊泡，就是肺泡。」湯楠介紹說，就像我們平時看到的樹榦—樹枝，氣管分化為支氣管，支氣管經過20多級反覆分枝，形成無數更細微的細支氣管；在它們的末端膨大成囊，囊的四周有很多突出的小囊泡，這些小囊泡就是肺泡。
「科學研究表明，成人約有3～5億個肺泡，鋪平了約有75平方米，比人的皮膚的表面積還要大好幾倍。」湯楠告訴記者，肺泡是肺部氣體交換的主要組織，吸入肺泡的富含氧氣的氣體，透過氣血屏障——肺泡壁和毛細血管壁——進入血液，靜脈血就變為含氧豐富的動脈血，並隨著血液循環輸送到全身各處；肺泡周圍毛細血管里所含的二氧化碳，則可以透過毛細血管壁和肺泡壁進入肺泡，通過呼氣排出體外。
湯楠說，肺泡是由單層上皮細胞構成的，非常非常薄，最薄的地方只有40納米。「構成肺泡的上皮細胞主要有兩種：扁平的一型細胞（alveolar type I cells，簡稱AT1）和立方體狀的二型細胞（alveolar type I cells，簡稱AT2）。其中，一型細胞主要行使氣體交換功能；二型細胞可謂『身兼數職』，它除了分泌表面活性物質、降低肺泡的表面張力，同時還是成年肺泡的上皮幹細胞，肺泡受損後可以增殖、分化為一型細胞，從而讓肺泡再生。
此前的科學研究表明，人體肺的發育最早從懷孕第三周就開始了， 最初只是一個氣管起源於胚胎的前腸內胚層，隨著早期氣管與食管的分開，開啟了肺氣管的分支發育過程。這個分支過程不只單純地增加了肺氣管的數目，還刺激了周圍間質中血管的發育，這為胚胎後期建立氣血屏障（包括肺泡上皮細胞和毛細血管），實施氣體交換奠定了基礎。在胚胎髮育後期，在樹枝狀的終末氣管末端就開始發育出囊泡狀的肺泡。與此同時，肺泡上皮祖細胞會分化為一型、二型兩種細胞。
「肺功能發育不全、慢性阻塞性肺、肺纖維化、呼吸衰竭等疾病，都與肺泡關係密切。」湯楠告訴記者，「因此，搞清楚肺泡上皮祖細胞的分化過程和分化機制，對於肺泡研究和預防、治療相關疾病至關重要。」
實時觀測肺泡發育過程，難於上青天？
據湯楠介紹，儘管科學家們很早就認識到肺泡上皮細胞正常分化對人的生存和正常生活至關重要，但對於肺泡祖細胞分化的具體機制仍知之甚少。「這主要是因為肺泡的發育過程非常複雜。肺泡的發育既涉及組織形態變化，又涉及細胞命運選擇；既受羊水等體液因素的影響，又受肺臟生物物理學變化的調控。」
湯楠說，從理論上講，藉助雙光子顯微鏡這一先進儀器，用實時動態成像方法，可以直接觀察肺泡發育和細胞分化的過程。「但是，由於胚胎中的肺組織非常脆弱，在體外培養、觀測的難度非常大；同時，受胎肺呼吸運動、胎心跳動等因素的限制，對胚胎後期肺的活體成像更是難於上青天。我們『折騰』了3年多，才最終搞定。」
湯楠實驗室想盡各種辦法，先把小鼠胚胎從母體取出，在體外進行培養，使之正常發育；然後利用雙光子顯微鏡，成功實現了對小鼠活體及體外培養胎肺的實時、動態成像，經過8-10小時的連續實驗，實現了對肺泡發育過程的實時觀測。
研究者發現，在肺泡祖細胞開始分化之前，部分肺泡祖細胞會在成纖維細胞生長因子的誘導下，向基底側伸出由肌球蛋白構成的偽足；隨後這部分祖細胞的細胞體遷移到終末氣管基底側。隨著胚胎的發育，肺的呼吸運動開始增強，羊水被吸入到終末氣管中。這種呼吸運動對肺泡祖細胞產生機械力，從而導致沒有遷移的那部分肺泡祖細胞被拉伸成扁平狀並最終分化成肺泡一型細胞；遷移的那部分肺泡祖細胞則可以抵抗胚胎呼吸運動產生的機械力，並維持了這些細胞的立方體細胞形態，最終分化成肺泡二型細胞。
該項研究首次證明：肺泡祖細胞的分化受到細胞生長因子和機械力的共同調控。正如侯根博士所期望的那樣：活體成像和族系追蹤的方法將會是強有力的手段，可以破解肺泡發育和再生中的一系列重要的問題。
Dr. Hogan 專門為這篇文章繪製了肺泡形成以及肺泡上皮祖細胞分化的機制示意圖。
以此類推，利用湯楠實驗室建立的小鼠成像模型，可以進行體內很多幹細胞的增殖分化研究。
揭示肺功能不全治療新路徑
羊水減少和胎兒早產是人體胚胎髮育和生育過程中的常見問題，由此導致的肺功能發育不全等疾病至今沒有很好的解決辦法。
早在1941年，波特博士等國外學者就發現羊水減少可導致嚴重的肺發育不全。「儘管羊水減少會導致胎兒臉部變形、手腳畸形等問題，但羊水減少後出生的胎兒大都會死於肺功能不全。」湯楠告訴記者，這就是臨床上較常見的波特綜合征。「據統計，在胚胎髮育中，發生羊水不全的概率大約為 8%。但是，羊水減少為什麼為導致胎兒的肺功能不全？兩者之間有怎樣的聯繫？我們的發現為進一步揭示其中的原因提供了新的解決思路。」
與此同時，一些早產兒在肺泡上皮細胞分化完成前就出生了——這些早產兒出生後肺泡還沒有發育好，無法進行正常呼吸。為了讓這些早產兒活下來，臨床上普遍給他們上呼吸機。使用呼吸機會對胎兒的肺產生壓力，這種壓力與胚胎正常發育中的壓力是不一樣的，呼吸機使用不當也會造成終生肺功能不全。湯楠實驗室的這一發現，對今後諸如此類疾病的合理預防和治療提供了重要的參考依據。
湯楠近照。李晗冰攝
「我們的文章發表後接到國內外許多研究機構和臨床醫生的電話和郵件，邀請我們去做報告，進行更詳細的講解。」湯楠高興地說，「這說明我們的發現非常有意義希望今後隨著科學家和臨床醫生的共同努力，早日解決這些難題。」
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