Cell Stem Cell | 汤楠实验室揭示肺纤维化疾病的新靶点

导读 ⭐

Introduction

2024年8月2日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院汤楠团队，与中日友好医院的代华平团队和普沐生物科技有限公司的研发团队合作，在Cell Stem Cell 在线发表了题为"Sustained amphiregulin expression in intermediate alveolar stem cells drives progressive fibrosis" 的研究论文。该研究揭示了损伤诱导的中间态肺泡干细胞及其表达的Amphiregulin (AREG)与特发性肺纤维化疾病的发生发展密切相关，并通过中和抗体靶向AREG成功治疗动物模型的肺纤维化，证明了AREG是可用于治疗肺纤维化疾病的新靶点。这一发现不仅加深了对IPF病理机制的理解，还为开发疾病的治疗方法提供了新策略。

临床研究显示，IPF疾病进展过程中，纤维化病变是由肺组织边缘起始并向中心不断蔓延，进而引起肺功能发生进行性和不可逆的下降，最终导致呼吸衰竭和死亡。汤楠实验室在2020年一项发表于Cell 的研究中，成功构建了一种可以高度模拟IPF病人发病特征的新型进展性肺纤维化小鼠模型3。基于该模型，汤楠实验室首次证明了肺泡再生障碍导致损伤后激活的肺泡干细胞被卡在分化的中间状态，致使干细胞暴露于持续升高的机械张力，是诱发肺纤维化从肺叶边缘起始并不断向肺中心进行性发展的关键驱动因素。在另一项发表于2023年Cell Stem Cell 的研究中, 汤楠实验室还进一步发现，年老小鼠肺损伤后的纤维化消退减慢和再生障碍，也伴随着中间态肺泡干细胞增多⁴。后续欧美多个国际科研团队的研究也表明肺损伤诱导的中间态肺泡干细胞与肺纤维化密切相关5-8。但是对于中间态肺泡干细胞是如何引起肺纤维化发生的细胞和分子机制仍不明确。

在本项研究中，研究人员继续对中间态肺泡干细胞如何促进肺纤维化进行了机制研究。首先，通过对进展性纤维化小鼠模型中病理改变的时序性研究，研究人员发现中间态肺泡干细胞的分布与纤维化进展密切相关：伴随处于中间态的肺泡干细胞从边缘向中心比例不断升高，肺纤维化也从边缘向中心不断进展。由于中间态的肺泡干细胞高表达多种促纤维化的基因，这也提示处于中间态的肺泡干细胞很可能通过分泌促纤维化的因子直接参与调控纤维化的发生。

为了寻找肺泡干细胞来源的促纤维化因子，研究人员对该模型的肺泡干细胞的单细胞测序数据进行了分析。通过差异表达基因对比分析，发现分泌性因子Areg在中间态肺泡干细胞中的表达显著升高，且排在前列。随后，研究人员也进一步在小鼠肺纤维化模型中证实了AREG在中间态肺泡干细胞中特异性表达，并且随着中间态肺泡干细胞的增多和纤维化的加重，AREG蛋白表达量在肺组织和肺泡灌洗液中的也显著升高。那么AREG是否作为促纤维化因子直接参与了肺纤维化的发生呢？

为了证明肺泡干细胞来源的AREG在纤维化中的作用，研究人员在进展性肺纤维化模型中从肺泡干细胞中特异性敲除了Areg。通过对纤维化表型的深入分析，发现Areg敲除能够显著抑制肺纤维化的发生，降低肺组织的成纤维细胞的增殖和胶原蛋白沉积，并提高终点动物的生存率。同时在健康小鼠的肺泡干细胞中持续性诱导AREG过表达也能够显著引起肺组织纤维化的产生。这两个小鼠遗传学研究证明了AREG是驱动肺纤维化的必要和充分条件。

同时，通过结合一系列的体外细胞实验和体内动物模型验证，研究人员证明了中间态肺泡干细胞通过持续性分泌的AREG直接作用到表达EGFR的成纤维细胞上促进了肺纤维化的发生。在IPF病人肺部样本中，研究人员同样发现AREG在人中间态肺泡干细胞中表达显著增加，并且EGFR信号通路在肺泡干细胞附近的肌成纤维细胞中也是被持续激活的。为了进一步研究AREG与IPF疾病的关系，研究人员对103个IPF患者的血清中AREG的水平进行了检测和分析。结果发现，AREG在IPF病人的血清中的水平显著升高，并且血清AREG的水平与IPF病人的肺功能呈显著的负相关。另外，血清AREG的水平还和IPF病人的GAP评分呈显著的正相关。GAP评分在临床上可以用于对病人死亡风险的预测，更高的GAP评分也预示着病人更大的死亡风险9。所以该结果也预示血清AREG的水平可能与IPF病人的生存率相关。这些转化医学数据共同证明了血清中AREG与IPF病人的疾病严重程度密切相关，是一种潜在的可用于IPF疾病诊断和监控进展的生物标记物。

最后，研究人员开展了针对AREG进行药物干预来治疗纤维化进展的探索研究。研究表明，通过使用中和抗体有效地阻断AREG，可以显著抑制小鼠肺纤维化的发生和发展，提高动物的生存率。这一发现突显了抗AREG抗体在减缓IPF进展方面的治疗潜力，提供了一种有前景的纤维化疾病治疗策略。

中间态肺泡干细胞促纤维化发生的作用机制示意图

综上，本研究基于进展性肺纤维化动物模型和临床转化医学研究系统性地揭示了中间态肺泡干细胞及其表达的AREG在肺纤维化发生和发展中的关键作用，并发现了其表达水平与IPF疾病严重程度成正相关(Figure 1)。这一发现不仅解决了中间态的肺泡干细胞如何参与进行性肺纤维化的细胞和分子机制，加深了对IPF病理机制的理解，还为开发新的治疗方法提供了重要线索，让靶向肺泡干细胞中的AREG成为可能治疗IPF的一种新策略。此外，这一研究还为其他类型的纤维化疾病的研究提供了参考，提示靶向AREG在其他纤维化疾病中也具有潜在疗效。总之，本研究不仅对理解和治疗IPF具有重要意义，还可能对更广泛的纤维化疾病研究和治疗提供了新思路。

普沐生物科技有限公司的赵瑞博士、王国武博士，汤楠实验室的王诤博士，中日友好医院的耿菁博士为本文的共同第一作者，汤楠博士、赵瑞博士和中日友好医院的代华平教授是本文共同通讯作者。其他作者还包括汤楠实验室的武慧娟博士和宾恩楠，隋建华实验室的隋建华博士和刘希明博士，他们在本研究中也做出了重要贡献。北京生命科学研究所影像中心和流式中心为本研究提供了重要支持。本项研究是在汤楠实验室和多个科学研究团队的紧密合作下顺利完成的，也充分体现了基础科学研究，医学以及工业界转化医学的合作对于疾病机理研究和新药研发的重大推动作用。本课题的研究经费受中国科技部、国家自然科学基金委、北京市政府和清华大学支持。

1. Maher, T.M., Bendstrup, E., Dron, L., Langley, J., Smith, G., Khalid, J.M., Patel, H., and Kreuter, M. (2021). Global incidence and prevalence of idiopathic pulmonary fibrosis. Respir Res 22, 197. 10.1186/s12931-021-01791-z.

2.Raghu, G., Chen, S.Y., Yeh, W.S., Maroni, B., Li, Q., Lee, Y.C., and Collard, H.R. (2014). Idiopathic pulmonary fibrosis in US Medicare beneficiaries aged 65 years and older: incidence, prevalence, and survival, 2001-11. Lancet Respir Med 2, 566-572. 10.1016/S2213-2600(14)70101-8.

3.Wu, H., Yu, Y., Huang, H., Hu, Y., Fu, S., Wang, Z., Shi, M., Zhao, X., Yuan, J., Li, J., et al. (2020). Progressive Pulmonary Fibrosis Is Caused by Elevated Mechanical Tension on Alveolar Stem Cells. Cell 180, 107-121 e117. 10.1016/j.cell.2019.11.027.

4.Wang, Z., Wei, D., Bin, E., Li, J., Jiang, K., Lv, T., Mao, X., Wang, F., Dai, H., and Tang, N. (2023). Enhanced glycolysis-mediated energy production in alveolar stem cells is required for alveolar regeneration. Cell Stem Cell 30, 1028-1042 e1027. 10.1016/j.stem.2023.07.007.

5.Strunz, M., Simon, L.M., Ansari, M., Kathiriya, J.J., Angelidis, I., Mayr, C.H., Tsidiridis, G., Lange, M., Mattner, L.F., Yee, M., et al. (2020). Alveolar regeneration through a Krt8+ transitional stem cell state that persists in human lung fibrosis. Nat Commun 11, 3559. 10.1038/s41467-020-17358-3.

6.Kobayashi, Y., Tata, A., Konkimalla, A., Katsura, H., Lee, R.F., Ou, J., Banovich, N.E., Kropski, J.A., and Tata, P.R. (2020). Persistence of a regeneration-associated, transitional alveolar epithelial cell state in pulmonary fibrosis. Nat Cell Biol 22, 934-946. 10.1038/s41556-020-0542-8.

7.Choi, J., Park, J.E., Tsagkogeorga, G., Yanagita, M., Koo, B.K., Han, N., and Lee, J.H. (2020). Inflammatory Signals Induce AT2 Cell-Derived Damage-Associated Transient Progenitors that Mediate Alveolar Regeneration. Cell Stem Cell 27, 366-382 e367. 10.1016/j.stem.2020.06.020.

8.Wang, F., Ting, C., Riemondy, K.A., Douglas, M., Foster, K., Patel, N., Kaku, N., Linsalata, A., Nemzek, J., Varisco, B.M., et al. (2023). Regulation of epithelial transitional states in murine and human pulmonary fibrosis. J Clin Invest 133. 10.1172/JCI165612.

9.Ley, B., Ryerson, C.J., Vittinghoff, E., Ryu, J.H., Tomassetti, S., Lee, J.S., Poletti, V., Buccioli, M., Elicker, B.M., Jones, K.D., et al. (2012). A multidimensional index and staging system for idiopathic pulmonary fibrosis. Ann Intern Med 156, 684-691. 10.7326/0003-4819-156-10-201205150-00004.