隋鹏飞组合作揭示病毒诱导免疫因子调控肺泡异常重塑机制

10月1日，国际学术期刊J Clin Invest在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）隋鹏飞研究组联合中国科学院上海免疫与感染研究所刘博研究员的最新合作研究成果：“Viral infection induces inflammatory signals that coordinate YAP regulation of dysplastic cells in lung alveoli”。该研究阐明了免疫-上皮互作在介导肺泡异常重塑中的作用，不仅对调控异常增生KRT5⁺ 细胞的命运至关重要，还揭示了“长新冠”发生的分子机制，为理解和治疗病毒感染导致的肺组织异常重塑提供了理论依据和潜在的干预靶点。

肺脏作为人体呼吸系统的中心器官，其中肺泡是气体交换的发生场所，肺泡上皮细胞主要包括I型肺泡细胞（AT1）和II型肺泡细胞（AT2）。当肺泡受损时，远端气道上的支气管肺泡干细胞（BASC）、棒状细胞（clubcells）、以及肺泡区域的II型肺泡细胞都可以作为干细胞/祖细胞，介导肺泡的功能性再生。但是，研究发现病毒感染会致使一群表达KRT5的细胞（KRT5⁺ cell）于肺泡区域出现异常增生，此现象被称为肺泡异常重塑（dysplasticalveolarremodeling）。异常增生的KRT5⁺ 细胞不具备气体交换功能，并且，其一旦形成，就会持续性存在于肺泡区域，无法转化为正常的肺泡上皮细胞，反而有部分细胞会向簇状细胞（tuftcells）、杯状细胞（gobletcells）等病理性增生细胞转化。因此，异常增生细胞被视作导致新冠肺炎患者肺持久性损伤的原因之一。

流感病毒感染小鼠模型是用于模拟病毒感染引起肺泡异常重塑的最佳模型，已有研究表明，远端气道上SOX2⁺P63⁺KRT5^- 细胞是异常增生的KRT5⁺ 细胞的来源。除病毒性炎症患者外，特发性肺纤维化（IPF）患者肺部亦能观察到KRT5⁺ 细胞异常增生的症状，慢性博莱霉素（常见的纤维化损伤模型）损伤小鼠肺部也可以检测到异常增生的KRT5⁺ 细胞。但是与病毒感染不同的是，远端气道上皮SOX2⁺P63⁺KRT5^- 细胞在博莱霉素损伤模型中的贡献率极低，Scgb1a1^Lin+ club cell被视作KRT5⁺ 细胞的主要来源，并且，博莱霉素损伤不会引起大面积的KRT5⁺ 细胞异常增生。那么，为什么病毒感染会激活P63^Lin+ 细胞，诱发剧烈的肺泡异常重塑？是否在病毒损伤组织中，存在特异性机制促使KRT5⁺ 细胞异常增生？如何避免病毒感染引起肺泡异常重塑，促使肺泡功能性再生？

为解决这一科学问题,研究人员首先对流感病毒感染模型和博莱霉素损伤模型进行比较，发现病毒感染会引起剧烈的I型免疫反应，招募大量CD8⁺ T细胞，并且CD8⁺ T细胞与KRT5⁺ 细胞共定位，CD8⁺ T细胞来源的IFN-γ在病毒感染组织中的表达水平显著高于博莱霉素损伤组织。为了验证IFN-γ是否参与介导KRT5⁺ 细胞异常增生，研究人员构造了肺气道上皮细胞特异性敲除Ifngr1小鼠（Ifngr1^Sox2-KO），发现突变体小鼠肺组织中异常增生KRT5⁺ 细胞面积显著降低，同时更多Sox2^Lin+ 细胞转化为SPC⁺ II型肺泡细胞。病毒损伤会引起肺纤维化，损害肺功能，天狼星红染色结果表明突变体小鼠肺纤维化损伤得到改善，肺顺应性检测结果表明突变体小鼠肺功能恢复得更好。

进一步对病毒感染小鼠肺组织上皮细胞进行单细胞测序，研究人员发现YAP信号通路相关基因在KRT5⁺ 细胞中高表达。通过免疫荧光染色检测Ki67、YAP信号在损伤后不同时间点肺组织中的表达，发现KRT5⁺ 细胞中YAP信号随着Ki67表达水平变化而变化。敲除P63⁺ 细胞（Yap^Sox2-hKO和Yap^Sox2-KO）YAP信号可以抑制KRT5⁺ 细胞异常增生。此外，利用谱系示踪技术追踪敲除YAP的异常增生KRT5⁺ 细胞的命运，发现突变体小鼠肺组织中有更多Krt5^Lin+ 细胞转化为SCGB1A1⁺ 棒状细胞，而棒状细胞可以作为祖细胞/干细胞介导肺泡功能性再生。有意思的是，单拷贝YAP缺失就足以调控KRT5⁺ 细胞的异常增生和命运维持。

最后，研究人员通过检测新冠肺炎患者肺组织切片，发现CD8⁺ T细胞与KRT5⁺ 细胞在组织分布上十分密切，并且病人肺部的KRT5⁺ 细胞同样表达YAP信号。人体II型肺泡细胞在体外培养时可以转化为KRT5⁺ 细胞。通过体外类器官培养实验，研究人员发现IFN-γ也可以促进人体II型肺泡细胞向KRT5⁺ 细胞转化。

综上，该研究利用小鼠遗传学模型、类器官培养、单细胞测序结合新冠肺炎患者样本，证明了病毒感染诱导免疫因子在介导肺泡异常重塑中的作用，为预防和治疗病毒性肺炎患者肺组织中肺泡异常重塑等后遗症提供了潜在的治疗策略和新的药物靶点。

分子细胞卓越中心隋鹏飞研究组博士生林秀玉，复旦大学附属儿科医院副主任医师陈伟呈为该论文共同第一作者。隋鹏飞研究员、中国科学院上海免疫与感染研究所刘博研究员为该论文通讯作者。该研究得到了上海科技大学席莹教授、上海六院任涛教授、以及分子细胞卓越中心动物实验技术平台和细胞分析技术平台的大力支持。该工作得到中国科学院、国家自然科学基金委的支持。

文章链接：https://www.jci.org/articles/view/176828

病毒感染与博莱霉素损伤肺组织诱导肺泡异常重塑的差异