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难于上青天:中国科学家揭开肺泡发育之谜

撰文 | 李晗冰(本刊特约作者)

责编 | 李晓明

俗话说“人活一口气”,氧气和二氧化碳在人体内的交换,就是通过数以亿计的肺泡和它们周边的毛细血管共同完成的。那么,在人体胚胎发育过程中,肺泡是如何形成的?羊水偏少为什么会导致胎儿肺功能发育不全?

我国科学家的一项新发现,初步揭开了这些谜底。北京生命科学研究所汤楠实验室在世界上首次直观地描述了肺泡的发育过程,并进一步阐明了肺泡上皮细胞的分化机制。这一重要突破不仅为体内很多干细胞的增殖分化研究提供了新的思路,也为预防和治疗肺功能发育不全等相关疾病提供了重要的参考。

相关论文以封面文章的形式,刊发在最新出版的国际学术期刊《发育细胞》(Developmental Cell)上。    

“肺泡的发育机制一直不清楚,其中一个主要的原因是从来没有人实时观察过肺泡的发育过程。”著名发育生物学家、杜克大学细胞生物系系主任、美国科学院院士布瑞吉德·侯根(Brigid L.M. Hogan)专门为这篇文章绘制了肺泡形成以及肺泡上皮祖细胞分化的机制示意图,并撰写评论道:“这项研究克服了这个障碍并取得了重大进展。该研究通过观察到肺泡祖细胞在肺泡组织发育和分化过程中的改变,提出了一个机械力和生长因子共同调控肺泡发育的全新模型。”

搞清肺泡发育机制为何非常重要

300年前,科学家们发现,在肺脏中存在无数个环形的蜂窝状空腔,从外界吸入的氧气和人体代谢中产生的二氧化碳,就是在这些空腔中完成的。

“这些中空的囊泡,就是肺泡。”汤楠介绍说,就像我们平时看到的树干—树枝,气管分化为支气管,支气管经过20多级反复分枝,形成无数更细微的细支气管;在它们的末端膨大成囊,囊的四周有很多突出的小囊泡,这些小囊泡就是肺泡。 

“科学研究表明,成人约有3~5亿个肺泡,铺平了约有75平方米,比人的皮肤的表面积还要大好几倍。”汤楠告诉记者,肺泡是肺部气体交换的主要组织,吸入肺泡的富含氧气的气体,透过气血屏障——肺泡壁和毛细血管壁——进入血液,静脉血就变为含氧丰富的动脉血,并随着血液循环输送到全身各处;肺泡周围毛细血管里所含的二氧化碳,则可以透过毛细血管壁和肺泡壁进入肺泡,通过呼气排出体外。

汤楠说,肺泡是由单层上皮细胞构成的,非常非常薄,最薄的地方只有40纳米。“构成肺泡的上皮细胞主要有两种:扁平的一型细胞(alveolar type I cells,简称AT1)和立方体状的二型细胞(alveolar type I cells,简称AT2)。其中,一型细胞主要行使气体交换功能;二型细胞可谓‘身兼数职’,它除了分泌表面活性物质、降低肺泡的表面张力,同时还是成年肺泡的上皮干细胞,肺泡受损后可以增殖、分化为一型细胞,从而让肺泡再生。

此前的科学研究表明,人体肺的发育最早从怀孕第三周就开始了, 最初只是一个气管起源于胚胎的前肠内胚层,随着早期气管与食管的分开,开启了肺气管的分支发育过程。这个分支过程不只单纯地增加了肺气管的数目,还刺激了周围间质中血管的发育,这为胚胎后期建立气血屏障(包括肺泡上皮细胞和毛细血管),实施气体交换奠定了基础。在胚胎发育后期,在树枝状的终末气管末端就开始发育出囊泡状的肺泡。与此同时,肺泡上皮祖细胞会分化为一型、二型两种细胞。

“肺功能发育不全、慢性阻塞性肺、肺纤维化、呼吸衰竭等疾病,都与肺泡关系密切。”汤楠告诉记者,“因此,搞清楚肺泡上皮祖细胞的分化过程和分化机制,对于肺泡研究和预防、治疗相关疾病至关重要。”

实时观测肺泡发育过程,难于上青天?

据汤楠介绍,尽管科学家们很早就认识到肺泡上皮细胞正常分化对人的生存和正常生活至关重要,但对于肺泡祖细胞分化的具体机制仍知之甚少。“这主要是因为肺泡的发育过程非常复杂。肺泡的发育既涉及组织形态变化,又涉及细胞命运选择;既受羊水等体液因素的影响,又受肺脏生物物理学变化的调控。”

汤楠说,从理论上讲,借助双光子显微镜这一先进仪器,用实时动态成像方法,可以直接观察肺泡发育和细胞分化的过程。“但是,由于胚胎中的肺组织非常脆弱,在体外培养、观测的难度非常大;同时,受胎肺呼吸运动、胎心跳动等因素的限制,对胚胎后期肺的活体成像更是难于上青天。我们‘折腾’了3年多,才最终搞定。”

汤楠实验室想尽各种办法,先把小鼠胚胎从母体取出,在体外进行培养,使之正常发育;然后利用双光子显微镜,成功实现了对小鼠活体及体外培养胎肺的实时、动态成像,经过8-10小时的连续实验,实现了对肺泡发育过程的实时观测。

研究者发现,在肺泡祖细胞开始分化之前,部分肺泡祖细胞会在成纤维细胞生长因子的诱导下,向基底侧伸出由肌球蛋白构成的伪足;随后这部分祖细胞的细胞体迁移到终末气管基底侧。随着胚胎的发育,肺的呼吸运动开始增强,羊水被吸入到终末气管中。这种呼吸运动对肺泡祖细胞产生机械力,从而导致没有迁移的那部分肺泡祖细胞被拉伸成扁平状并最终分化成肺泡一型细胞;迁移的那部分肺泡祖细胞则可以抵抗胚胎呼吸运动产生的机械力,并维持了这些细胞的立方体细胞形态,最终分化成肺泡二型细胞。

该项研究首次证明:肺泡祖细胞的分化受到细胞生长因子和机械力的共同调控。正如侯根博士所期望的那样:活体成像和族系追踪的方法将会是强有力的手段,可以破解肺泡发育和再生中的一系列重要的问题。

以此类推,利用汤楠实验室建立的小鼠成像模型,可以进行体内很多干细胞的增殖分化研究。

揭示肺功能不全治疗新路径

羊水减少和胎儿早产是人体胚胎发育和生育过程中的常见问题,由此导致的肺功能发育不全等疾病至今没有很好的解决办法。

早在1941年,波特博士等国外学者就发现羊水减少可导致严重的肺发育不全。“尽管羊水减少会导致胎儿脸部变形、手脚畸形等问题,但羊水减少后出生的胎儿大都会死于肺功能不全。”汤楠告诉记者,这就是临床上较常见的波特综合征。“据统计,在胚胎发育中,发生羊水不全的概率大约为 8%。但是,羊水减少为什么为导致胎儿的肺功能不全?两者之间有怎样的联系?我们的发现为进一步揭示其中的原因提供了新的解决思路。”

与此同时,一些早产儿在肺泡上皮细胞分化完成前就出生了——这些早产儿出生后肺泡还没有发育好,无法进行正常呼吸。为了让这些早产儿活下来,临床上普遍给他们上呼吸机。使用呼吸机会对胎儿的肺产生压力,这种压力与胚胎正常发育中的压力是不一样的,呼吸机使用不当也会造成终生肺功能不全。汤楠实验室的这一发现,对今后诸如此类疾病的合理预防和治疗提供了重要的参考依据。

“我们的文章发表后接到国内外许多研究机构和临床医生的电话和邮件,邀请我们去做报告,进行更详细的讲解。”汤楠高兴地说,“这说明我们的发现非常有意义希望今后随着科学家和临床医生的共同努力,早日解决这些难题。”

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