四川大學曹中煒團隊解析「循環微環境」調控衰老器官再生和纖維化

2020-12-25 中國生物技術網

組織的修復和再生對生物具有至關重要的作用。當組織在受到感染、機械損傷以及其他的刺激時，壞死的細胞或者入侵的微生物等會共同激活複雜的炎症反應。急性損傷時，傷口癒合反應通常會得到控制，炎症反應會迅速消退，並且正常組織結構也會恢復。但是，如果器官經歷慢性損傷，傷口癒合反應往往是緩慢的或者處於失調狀態，通常會導致病理性纖維化或瘢痕的形成，損害正常組織功能，並導致器官衰竭和死亡。

再生是在受損後重現原組織結構和功能而不會留下疤痕的能力，這種能力通常會隨著年齡的增加逐漸減弱。纖維化可發生於各大主要器官。據估計，器官的纖維化與多達40%的疾病死亡相關。然而目前纖維化疾病的治療手段和效果都很有限。因此研究如何促進纖維化器官的再生能力具有很強的臨床價值。

成年人體內血管長度達到90,000km,血管腔內覆蓋著10萬億到60萬億的血管內皮細胞，滲透到各個器官的各個細胞。長久以來血管都被認為是被動運輸血液的導管。曹中煒和合作者丁楅森組以往一系列合作發現血管內皮細胞可以分泌angiocrine因子和血液系統細胞和蛋白質相互作用，從而形成「循環微環境」共同影響器官修復。

在這一過程中，循環微環境就像「土壤」一樣，調控作為「種子」的實質細胞的功能。同時這一微環境具有很強的兩面性，不同激活狀態的微環境可以導致受損器官產生兩種完全不同的結果，即：是發生再生還是變成纖維化（結疤）。因此解析循環微環境調控器官修復的具體分子細胞機制在再生醫學中有理論意義。同時，因為循環系統具有易於幹預(readily accessible)的特點，發掘器官修復中循環微環境中的具有獨特功能的靶點有望開發相對高效的治療手段。

2020年12月22日，四川大學華西二院/生物治療國家重點實驗室曹中煒課題組在Cell Metabolism 雜誌在線發表題為：Aging Reprograms the Hematopoietic-Vascular Niche to Impede Regeneration and Promote Fibrosis的研究論文。

這一研究發現在衰老器官中血管內皮細胞和血小板，巨噬細胞一起形成了重編程的「循環微環境」，導致了衰老器官再生能力的抑制。同時，該研究還進一發現了調控這一微環境重編程過程的多重節點，即：靶向血管內皮細胞Neuropilin-1(NRP1)、HIF2α，可以調控內皮細胞Endothelial Protein C Receptor (EPCR)的表達，進而影響血液中募集到的血小板interleukin-1 α (IL1α)以及巨噬細胞TIMP1的表達。特異性針對血管，血小板，和巨噬細胞的重編程節點分子可以使纖維化器官的循環微環境正常化，從而恢復受損器官的再生能力。

在衰老器官的循環微環境重編程中，內皮細胞的Endothelial Protein C Receptor (EPCR)通路抑制是再生到纖維化轉變的一個重要節點。EPCR作為血管系統抑制炎症和血小板活化的關鍵分子，是由本文共同作者美國國家科學院院士，HHMI研究員Charles T. Esmon於1994年發現的。EPCR是一種內皮細胞特異性表達的位於細胞膜的跨膜糖蛋白，它是活化蛋白C(APC)介導的抗凝和細胞保護（抗炎、抗凋亡以及屏障穩定等）信號級聯反應中的重要組成部分。其結構類似於主要組織相容複合物1/CDⅠ蛋白質家族，在調節炎症反應和血栓形成方面起重要作用。

血小板-巨噬細胞集落以及血管內皮細胞重編程導致衰老小鼠器官再生到纖維化的轉變

作者通過肺切除模型比較對照鼠（2月齡或者3月齡）和老年鼠（20月齡）肺的再生和纖維化情況。通過染色發現，與年對照鼠相比，老年小鼠肺部血小板和巨噬細胞高表達，並緊密結合在血管細胞周圍。這些數據表明，血液細胞參與了器官再生的調控，血小板和巨噬細胞之間異常的相互作用可能是衰老的肺中再生向纖維化轉變的一個原因。

鑑於血管內皮細胞強大的旁分泌/自分泌功能，以及其與血小板-巨噬細胞集落的位置關係，作者分離了肺毛細血管內皮細胞（PCECs）進行轉錄組測序發現，Neuropilin-1 (NRP1)和HIF2α在老年小鼠中高表達，與之相反的是EPCR在老年小鼠PCECs中表達量降低。

為進一步研究血管內皮細胞與血液細胞之間的互相調控，作者構建了血管內皮細胞特異性敲除NRP1（Nrp1iDEC/iDEC）的基因鼠，與對照組相比，老年Nrp1iDEC/iDEC小鼠肺切後，HIF2α的表達量降低，EPCR表達水平上調，且Nrp1的敲除抑制了血小板-巨噬細胞集落的形成，纖維化程度降低，肺泡上皮細胞增殖明顯增加。當抗體1560中和掉EPCR後，恢復了老年Nrp1iDEC/iDEC小鼠的血小板-巨噬細胞集落。PIGF作為NRP1的配體，在衰老的器官中表達上調。通過注射NRP1的不同配體，作者發現只有在注射PIGF時，可以抑制EPCR的表達。這說明內皮細胞中Nrp1可以調控EPCR的表達以及血液細胞：血小板-巨噬細胞集落的形成。

血小板產生IL1α激活促纖維化CXCR4+ TIMP1high巨噬細胞

因為血管中EPCR的表達為循環系統防止炎症和血小板活化的關鍵機制。作者進一步研究了衰老器官中血小板和巨噬細胞與EPCR被抑制的血管的相互作用，以及對器官修復的功能影響。血小板可以產生促炎性細胞因子，如白介素可與巨噬細胞相互作用。作者建了IL1α的血小板特異性缺失小鼠(Il1aDPlt/DPlt)，在對小鼠進行EPCR中和抗體1560進行治療後，發現Il1aDPlt/DPlt小鼠可阻斷血小板-巨噬細胞集落的形成，並且能夠降低TIMP1的表達。

通過血小板的移植模型，作者發現與移植Il1a+/+血小板的老年小鼠相比，移植Il1a-/-血小板的老年小鼠顯示出TIMP1表達減少以及受試器官膠原沉積減少。這些數據提示抑制衰老ECs中的EPCR可以導致血小板IL1α的產生，而血小板IL1α參與了衰老器官中促纖維化血小板-巨噬細胞集落的形成以及TIMP1的表達。

靶向「循環微環境」的轉化價值

針對EPCR的藥物Activated Protein C（Xigris）於2001年11月21日被FDA批准為第一個用於治療嚴重膿毒血症的生物藥。此項研究有可能優化或開發針對EPCR的現有或者新一代的藥物，從而發揮在纖維化器官的再生治療方面的新作用。同時此項研究發現了EPCR在循環微環境中被抑制的上遊調控機制。幹預這一抑制機制有望上調EPCR,從而對EPCR上下遊同時進行幹預，進一步提升這一靶點的在纖維化疾病中的治療效果。

為了驗證所發現循環微環境調控作用的潛在治療作用，作者團隊在肺、肝、腎的再生和纖維化模型中都進行了驗證。在肺，肝，和腎通過手術，化療藥物，放療藥物所導致的器官損傷中，選擇性抑制血管內皮細胞中NRP1-HIF2α從而恢復EPCR的表達都起到了促進損傷器官組織結構和功能的恢復，防止了纖維化。尤其是研究結果證明了針對血管和血小板的節點分子的調控可以有效防止肺腫瘤免疫治療引起的間質性肺炎(Immunotherapy-induced pneumonitis)。在小鼠肺腫瘤的免疫治療模型中，幹預重編程的循環微環境不但降低了肺部的纖維化反應，而且延長了荷瘤小鼠的存活率。這一數據顯示了循環微環境在多個損傷器官中的作為抗纖維化靶點的應用價值。

總之，該研究確定了靶向編輯血管內皮細胞中NRP1-HIF2α，血小板IL1α以及巨噬細胞TIMP1可以使原發性纖維化血液-血管微環境正常化，可恢復衰老器官的再生能力。

過去關於再生的研究大多局限於器官實質細胞本身，而此項研究發現了包括內皮細胞、血小板以及巨噬細胞在內的多細胞類型之間協同作用，形成一個多個分子參與在內的循環微環境。對這一調控機制的研究有望為纖維化器官的再生治療研發靶點。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.11.019

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