1月14日，国际学术期刊Cell Discovery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）周斌研究组与香港中文大学医学院吕爱兰研究组的合作研究成果，题为“Lineage tracing reveals the origins and dynamics of macrophages in lung injury and repair”。该研究结合遗传谱系示踪、单细胞转录组测序及基因敲除技术，系统解析了组织驻留巨噬细胞与单核细胞来源巨噬细胞在肺损伤修复及纤维化进程中的动态变化规律与功能差异，并阐明Notch与Wnt/β-catenin信号通路的拮抗调控机制，为肺纤维化的靶向治疗提供了全新思路。相关研究成果为深入理解肺部疾病发生的病理机制奠定了重要基础。
肺部疾病是威胁全球人类健康的重大公共卫生问题，急性肺损伤可引发一系列严重后果，如特发性肺纤维化、慢性阻塞性肺疾病等。巨噬细胞作为肺部固有免疫的核心细胞，在炎症调控、组织修复与纤维化进程中扮演关键角色。然而，不同来源巨噬细胞，包括胚胎发育来源的组织驻留巨噬细胞和骨髓单核细胞招募而来的浸润性巨噬细胞，在肺损伤后的细胞命运转变、动态响应及功能分工，长期以来尚未被完全阐明。
以往研究多依赖于细胞表面标记物的流式分选或骨髓移植模型，难以特异、高效地在体内区分并追踪不同来源的巨噬细胞。为了突破这一技术瓶颈，研究人员基于巨噬细胞特异性高表达CD68基因，成功构建了CD68-rtTA四环素诱导型小鼠模型。通过将该工具小鼠与TetO-Cre及R26-tdT报告小鼠杂交，成功实现了成年小鼠肺组织驻留巨噬细胞的特异性标记，为追踪组织驻留巨噬细胞的动态变化提供了可靠工具。与此同时，团队利用Ms4a3-CreER小鼠模型，实现了对单核细胞及其来源巨噬细胞的精准示踪，为区分两种来源的巨噬细胞奠定了技术基础。
在此基础上，研究团队以博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型为研究对象，系统追踪了损伤后不同时间点巨噬细胞的数量变化与细胞命运。研究发现，在急性炎症期（损伤后3天），肺组织驻留巨噬细胞数量出现急剧下降，其中肺泡巨噬细胞比例降至稳态水平的30%左右；进入修复及纤维化期（损伤后7-28天），组织驻留巨噬细胞数量趋于稳定，其肺泡巨噬细胞亚群通过自我增殖实现部分恢复。与之相对，单核细胞来源的浸润性巨噬细胞在炎症期大量募集至损伤部位，初期主要分化为间质巨噬细胞，伴随纤维化进程，部分间质巨噬细胞通过一个过渡态细胞亚群，逐步转化为肺泡巨噬细胞。到损伤后28天，浸润性巨噬细胞占肺内巨噬细胞总数的近50%，成为纤维化微环境的核心细胞群。
为进一步解析巨噬细胞的异质性特征，研究团队开展了时间序列单细胞转录组测序分析。通过对稳态及损伤后3天、7天、14天、28天的肺组织免疫细胞进行单细胞转录组测序。聚类分析结果显示，巨噬细胞是肺内占比最高的免疫细胞群体，且其转录组特征随损伤进程发生显著重塑。值得注意的是，研究人员首次鉴定出一个全新的巨噬细胞过渡亚群——Mac0。该亚群在损伤后7天大量出现，高表达溶酶体相关基因、抗原提呈基因及细胞外基质相互作用分子，兼具炎症调控与组织修复功能。RNA速率分析与拟时序轨迹分析证实，Mac0是单核细胞来源巨噬细胞从间质巨噬细胞向肺泡巨噬细胞转化的关键中间态，其功能偏向于细胞碎片清除、免疫调节和基质重塑。
为明确浸润性巨噬细胞在肺纤维化中的功能作用，研究团队将Ms4a3-CreER系统与诱导性白喉毒素受体系统（R26-iDTR）结合，构建了可在他莫昔芬诱导后，通过注射白喉毒素特异性清除单核细胞及其后代的小鼠模型。在博来霉素损伤前清除单核细胞，导致损伤后肺内单核来源巨噬细胞（尤其是单核来源的肺泡巨噬细胞）数量大幅减少。与此相应，肺组织的纤维化程度显著减轻，胶原沉积减少，成纤维细胞标志物表达下降。这表明，单核细胞来源的巨噬细胞，特别是后期出现的单核来源肺泡巨噬细胞，在驱动肺纤维化进程中起到了关键的促进作用。
深入的机制研究揭示，Notch与Wnt/β-catenin 信号通路在巨噬细胞命运调控中发挥拮抗作用。研究发现，Notch信号通路核心分子Rbpj在单核细胞来源巨噬细胞中特异性敲除后，单核细胞向肺泡巨噬细胞的分化进程受阻，肺纤维化程度显著缓解；而Wnt/β-catenin信号通路关键分子Ctnnb1的单核细胞特异性敲除，则促进间质巨噬细胞向肺泡巨噬细胞转化，导致肺纤维化加重。单细胞转录组富集分析表明，Notch信号主要调控巨噬细胞的中间过渡阶段，而Wnt/β-catenin信号则主导成熟肺泡巨噬细胞的功能维持，两条通路的动态平衡决定了巨噬细胞的功能偏向。
本研究系统阐明了组织驻留巨噬细胞与单核细胞来源巨噬细胞在肺损伤及纤维化中的动态变化规律与功能差异。明确组织驻留巨噬细胞主要参与炎症早期的稳态维持，而单核细胞来源巨噬细胞则是推动纤维化进展的核心力量，其向肺泡巨噬细胞的转化过程是干预肺纤维化的关键靶点。此外，研究人员还鉴定了关键过渡态细胞亚群Mac0及相关调控通路，为肺纤维化的早期诊断与靶向治疗提供了重要的理论依据和潜在靶点。
分子细胞卓越中心副研究员金恒薇、博士生牟佳玲和博士后朱欢为该论文共同第一作者。分子细胞卓越中心周斌研究员、金恒薇副研究员和香港中文大学吕爱兰教授为该论文共同通讯作者。该研究得到南模生物、分子细胞卓越中心动物实验技术平台、细胞分析技术平台和分子生物学技术平台的大力支持和帮助。该工作得到中国科学院、基金委、科技部、上海市科委、香港研资局、新基石科学基金会和赛诺菲优秀青年人才奖励基金等支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41421-025-00859-0
肺损伤与修复全过程中组织驻留巨噬细胞及单核来源巨噬细胞的动态变化
