清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院杜亞楠課題組 PNAS報道纖維化擴(kuò)展中“旁張力信號”介導(dǎo)的細(xì)胞間機(jī)械通訊
2020年5月2日，PNAS（美國國家科學(xué)院院刊）在線發(fā)表了清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系和清華-北大生命聯(lián)合中心杜亞楠教授研究組題為“Matrix-transmitted paratensile signaling enables myofibroblast-fibroblast crosstalk in fibrosis expansion”(纖維化擴(kuò)展中旁張力信號介導(dǎo)的肌成纖維細(xì)胞和纖維細(xì)胞通訊)的研究長文。該研究應(yīng)用單細(xì)胞力學(xué)刺激和體外仿生模型結(jié)合數(shù)學(xué)模型計算，系統(tǒng)探究了基質(zhì)材料介導(dǎo)的力學(xué)信號在細(xì)胞間通訊的時空作用模式、分子基礎(chǔ)，及其在纖維化發(fā)展蔓延過程中的作用，為細(xì)胞間力學(xué)信號介導(dǎo)的成纖維細(xì)胞（FB）-肌成纖維細(xì)胞(MF)互作提供了直接證據(jù)，并將這種纖維化發(fā)展進(jìn)程中基質(zhì)纖維介導(dǎo)的新型細(xì)胞間通訊模式命名為“Paratensile signaling”-旁張力信號。
組織器官在受到損傷之后，會發(fā)生損傷修復(fù)，誘發(fā)組織纖維化。如果沒有有效的控制措施，慢性纖維化疾病會最終導(dǎo)致組織硬化，誘發(fā)器官衰竭。有研究表明，在現(xiàn)代社會死亡病例中有將近50%與組織器官的慢性纖維化相關(guān)，包括此次新冠肺炎，會伴有肺部纖維化，重癥患者纖維化進(jìn)一步蔓延可導(dǎo)致呼吸衰竭，肺部纖維化也是愈后后遺癥的重要風(fēng)險因素之一。成纖維細(xì)胞的持續(xù)激活是各類組織纖維化中的主要誘因，在組織器官受到損傷或病毒感染之后，組織內(nèi)的成纖維細(xì)胞FB會受到 “旁分泌因子”（paracrine factors），例如TGF-b，PDGF等誘導(dǎo)，激活分化成為肌成纖維細(xì)胞MF，并分泌大量的細(xì)胞因子及細(xì)胞外基質(zhì)，造成更廣泛的成纖維細(xì)胞激活和組織硬化，進(jìn)而引起組織器官內(nèi)纖維化區(qū)域蔓延。除了感知化學(xué)信號，部分研究顯示體外細(xì)胞會導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)生物化學(xué)及生物物理性質(zhì)的改變，也有研究表明細(xì)胞能夠感受細(xì)胞外基質(zhì)的物理特性，比如硬度、粘彈性等并作出響應(yīng)。2017年，杜亞楠課題組發(fā)表于《Nature Materials》的研究發(fā)現(xiàn)，在肝臟纖維化早期，肝竇內(nèi)皮細(xì)胞可通過膠原纖維束傳遞力學(xué)信號激活星型細(xì)胞，導(dǎo)致肝臟纖維化蔓延。但是到目前為止，纖維化進(jìn)展過程中細(xì)胞外基質(zhì)材料介導(dǎo)的細(xì)胞間力學(xué)通訊的模式是否保守，其在組織器官內(nèi)的蔓延模式、相關(guān)分子機(jī)制尚不明確。
圖1. 組織纖維化擴(kuò)展中旁張力信號介導(dǎo)的細(xì)胞間機(jī)械通訊示意圖
旁張力信號包含三個過程，力學(xué)信號的產(chǎn)生-力學(xué)信號在細(xì)胞外基質(zhì)傳遞-周圍細(xì)胞接受力學(xué)信號刺激作出響應(yīng)。此過程介導(dǎo)了纖維化區(qū)域在組織內(nèi)的擴(kuò)張蔓延。
研究團(tuán)隊首先在單細(xì)胞和多細(xì)胞水平上，通過統(tǒng)計FB和MF細(xì)胞收縮力和互作結(jié)果，顯示細(xì)胞間存在基于膠原纖維化介質(zhì)的細(xì)胞間通訊。為了進(jìn)一步證明細(xì)胞間的機(jī)械通訊行為，建立了基于原子力顯微鏡可通過膠原纖維對單細(xì)胞施加可控、細(xì)胞級別力刺激的研究平臺，利用該平臺盡可能去除旁分泌等化學(xué)信號對細(xì)胞造成的影響。研究了來源于不同組織（肝臟、心臟和皮膚）的成纖維細(xì)胞對于旁張力信號的響應(yīng)模式，即旁張力信號作用機(jī)制的三個過程：力的產(chǎn)生-力學(xué)信號在細(xì)胞外基質(zhì)傳遞-臨近細(xì)胞感受力學(xué)信號作出響應(yīng)；研究發(fā)現(xiàn)距離施力細(xì)胞70μm之外的細(xì)胞能在1s之內(nèi)對旁張力信號作出響應(yīng)，并且初步證明細(xì)胞表面膠原蛋白受體Integrin/DDR2和機(jī)械力敏感鈣離子通道Pizeo1介導(dǎo)了細(xì)胞間力學(xué)信號向細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)信號的轉(zhuǎn)變?；趯嶒灛F(xiàn)象，進(jìn)一步建立了基于單純旁張力的數(shù)學(xué)模擬計算方法（Fibroblast - Myofibroblast Populated Collagen Lattice model, FMPCL），利用該數(shù)學(xué)模型可重現(xiàn)體外實驗結(jié)果，包括細(xì)胞力產(chǎn)生、膠原纖維束的聚集及旁張力信號介導(dǎo)的成纖維細(xì)胞的激活，同時可預(yù)測在單細(xì)胞、多細(xì)胞水平下細(xì)胞間作用距離對于細(xì)胞激活的程度。在細(xì)胞水平研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合微加工技術(shù)、組織工程手段和報告基因系統(tǒng)，分別構(gòu)建了可模擬纖維化蔓延界面的體外纖維化灶擴(kuò)展(fibrotic foci expansion) 模型和可模擬心臟纖維化擴(kuò)展的體外仿生模型，并結(jié)合數(shù)學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)在纖維化組織和正常組織交界面（border zone）存在廣泛的MF-BF細(xì)胞間旁張力通訊，導(dǎo)致界面不斷擴(kuò)展、纖維化區(qū)域蔓延。使用激光切割技術(shù)切斷介質(zhì)膠原纖維束，能夠顯著的阻斷纖維化區(qū)域的蔓延。同樣，阻斷細(xì)胞間旁張力通訊能夠抑制體外仿生模型中心臟纖維化的蔓延，證明了旁張力信號在組織纖維化擴(kuò)展蔓延中不可或缺的作用（圖2）。
圖2. 纖維化蔓延界面和心臟纖維化仿生體外組織模型和數(shù)學(xué)模型
在纖維化蔓延界面體外（A）和數(shù)學(xué)模擬（B）仿生模型中，在未干預(yù)的情況下，纖維化區(qū)域呈現(xiàn)顯著蔓延并伴隨著成纖維細(xì)胞的激活。通過顯微切割技術(shù)切斷纖維化界面的膠原纖維阻斷旁張力信號，纖維化蔓延趨勢得到顯著抑制。同樣在模擬心臟心室壁的組織纖維化模型和數(shù)學(xué)模擬模型中（C），在未干預(yù)情況下均出現(xiàn)顯著纖維化蔓延，但是經(jīng)過小分子BAPN處理抑制膠原纖維重塑，纖維化區(qū)域的蔓延得到抑制。
該研究為細(xì)胞外基質(zhì)材料介導(dǎo)的細(xì)胞間機(jī)械通訊提供了直接證據(jù)，“旁張力”細(xì)胞間通訊模式是對現(xiàn)有基于生化因子的“旁分泌”信號機(jī)制的重要補(bǔ)充 （見視頻），為纖維化病理研究提供了新視角，為臨床干預(yù)纖維化疾病提供了新思路。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授、北大-清華生命聯(lián)合中心研究員杜亞楠為本論文通訊作者，杜亞楠研究組已畢業(yè)博士劉龍偉、碩士于鴻升為本文的共同第一作者。杜亞楠課題組已畢業(yè)博士趙輝、鄢曉君，在讀博士生龍藝、吳釗釗、尤志峰、周律等對此項工作有重要貢獻(xiàn)。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院石彥教授、夏鐵副研究員，清華大學(xué)藥學(xué)院肖百龍教授，加州大學(xué)圣地亞哥分校王英曉教授以及清華大學(xué)長庚醫(yī)院黃晨昱博士為本研究提供了幫助。該研究得到了北京市自然科學(xué)基金 (JQ18022),北京市自然科學(xué)技術(shù)委員會(Z181100001818005)和國家自然科學(xué)基金(31671036)的資助。
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