清華大學醫(yī)學院杜亞楠課題組 PNAS報道纖維化擴展中“旁張力信號”介導的細胞間機械通訊
2020年5月2日，PNAS（美國國家科學院院刊）在線發(fā)表了清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系和清華-北大生命聯(lián)合中心杜亞楠教授研究組題為“Matrix-transmitted paratensile signaling enables myofibroblast-fibroblast crosstalk in fibrosis expansion”(纖維化擴展中旁張力信號介導的肌成纖維細胞和纖維細胞通訊)的研究長文。該研究應用單細胞力學刺激和體外仿生模型結合數(shù)學模型計算，系統(tǒng)探究了基質(zhì)材料介導的力學信號在細胞間通訊的時空作用模式、分子基礎，及其在纖維化發(fā)展蔓延過程中的作用，為細胞間力學信號介導的成纖維細胞（FB）-肌成纖維細胞(MF)互作提供了直接證據(jù)，并將這種纖維化發(fā)展進程中基質(zhì)纖維介導的新型細胞間通訊模式命名為“Paratensile signaling”-旁張力信號。
組織器官在受到損傷之后，會發(fā)生損傷修復，誘發(fā)組織纖維化。如果沒有有效的控制措施，慢性纖維化疾病會最終導致組織硬化，誘發(fā)器官衰竭。有研究表明，在現(xiàn)代社會死亡病例中有將近50%與組織器官的慢性纖維化相關，包括此次新冠肺炎，會伴有肺部纖維化，重癥患者纖維化進一步蔓延可導致呼吸衰竭，肺部纖維化也是愈后后遺癥的重要風險因素之一。成纖維細胞的持續(xù)激活是各類組織纖維化中的主要誘因，在組織器官受到損傷或病毒感染之后，組織內(nèi)的成纖維細胞FB會受到 “旁分泌因子”（paracrine factors），例如TGF-b，PDGF等誘導，激活分化成為肌成纖維細胞MF，并分泌大量的細胞因子及細胞外基質(zhì)，造成更廣泛的成纖維細胞激活和組織硬化，進而引起組織器官內(nèi)纖維化區(qū)域蔓延。除了感知化學信號，部分研究顯示體外細胞會導致細胞外基質(zhì)生物化學及生物物理性質(zhì)的改變，也有研究表明細胞能夠感受細胞外基質(zhì)的物理特性，比如硬度、粘彈性等并作出響應。2017年，杜亞楠課題組發(fā)表于《Nature Materials》的研究發(fā)現(xiàn)，在肝臟纖維化早期，肝竇內(nèi)皮細胞可通過膠原纖維束傳遞力學信號激活星型細胞，導致肝臟纖維化蔓延。但是到目前為止，纖維化進展過程中細胞外基質(zhì)材料介導的細胞間力學通訊的模式是否保守，其在組織器官內(nèi)的蔓延模式、相關分子機制尚不明確。
圖1. 組織纖維化擴展中旁張力信號介導的細胞間機械通訊示意圖
旁張力信號包含三個過程，力學信號的產(chǎn)生-力學信號在細胞外基質(zhì)傳遞-周圍細胞接受力學信號刺激作出響應。此過程介導了纖維化區(qū)域在組織內(nèi)的擴張蔓延。
研究團隊首先在單細胞和多細胞水平上，通過統(tǒng)計FB和MF細胞收縮力和互作結果，顯示細胞間存在基于膠原纖維化介質(zhì)的細胞間通訊。為了進一步證明細胞間的機械通訊行為，建立了基于原子力顯微鏡可通過膠原纖維對單細胞施加可控、細胞級別力刺激的研究平臺，利用該平臺盡可能去除旁分泌等化學信號對細胞造成的影響。研究了來源于不同組織（肝臟、心臟和皮膚）的成纖維細胞對于旁張力信號的響應模式，即旁張力信號作用機制的三個過程：力的產(chǎn)生-力學信號在細胞外基質(zhì)傳遞-臨近細胞感受力學信號作出響應；研究發(fā)現(xiàn)距離施力細胞70μm之外的細胞能在1s之內(nèi)對旁張力信號作出響應，并且初步證明細胞表面膠原蛋白受體Integrin/DDR2和機械力敏感鈣離子通道Pizeo1介導了細胞間力學信號向細胞內(nèi)生物化學信號的轉(zhuǎn)變?；趯嶒灛F(xiàn)象，進一步建立了基于單純旁張力的數(shù)學模擬計算方法（Fibroblast - Myofibroblast Populated Collagen Lattice model, FMPCL），利用該數(shù)學模型可重現(xiàn)體外實驗結果，包括細胞力產(chǎn)生、膠原纖維束的聚集及旁張力信號介導的成纖維細胞的激活，同時可預測在單細胞、多細胞水平下細胞間作用距離對于細胞激活的程度。在細胞水平研究的基礎上，進一步結合微加工技術、組織工程手段和報告基因系統(tǒng)，分別構建了可模擬纖維化蔓延界面的體外纖維化灶擴展(fibrotic foci expansion) 模型和可模擬心臟纖維化擴展的體外仿生模型，并結合數(shù)學仿真，發(fā)現(xiàn)在纖維化組織和正常組織交界面（border zone）存在廣泛的MF-BF細胞間旁張力通訊，導致界面不斷擴展、纖維化區(qū)域蔓延。使用激光切割技術切斷介質(zhì)膠原纖維束，能夠顯著的阻斷纖維化區(qū)域的蔓延。同樣，阻斷細胞間旁張力通訊能夠抑制體外仿生模型中心臟纖維化的蔓延，證明了旁張力信號在組織纖維化擴展蔓延中不可或缺的作用（圖2）。
圖2. 纖維化蔓延界面和心臟纖維化仿生體外組織模型和數(shù)學模型
在纖維化蔓延界面體外（A）和數(shù)學模擬（B）仿生模型中，在未干預的情況下，纖維化區(qū)域呈現(xiàn)顯著蔓延并伴隨著成纖維細胞的激活。通過顯微切割技術切斷纖維化界面的膠原纖維阻斷旁張力信號，纖維化蔓延趨勢得到顯著抑制。同樣在模擬心臟心室壁的組織纖維化模型和數(shù)學模擬模型中（C），在未干預情況下均出現(xiàn)顯著纖維化蔓延，但是經(jīng)過小分子BAPN處理抑制膠原纖維重塑，纖維化區(qū)域的蔓延得到抑制。
該研究為細胞外基質(zhì)材料介導的細胞間機械通訊提供了直接證據(jù)，“旁張力”細胞間通訊模式是對現(xiàn)有基于生化因子的“旁分泌”信號機制的重要補充 （見視頻），為纖維化病理研究提供了新視角，為臨床干預纖維化疾病提供了新思路。
清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系教授、北大-清華生命聯(lián)合中心研究員杜亞楠為本論文通訊作者，杜亞楠研究組已畢業(yè)博士劉龍偉、碩士于鴻升為本文的共同第一作者。杜亞楠課題組已畢業(yè)博士趙輝、鄢曉君，在讀博士生龍藝、吳釗釗、尤志峰、周律等對此項工作有重要貢獻。清華大學醫(yī)學院石彥教授、夏鐵副研究員，清華大學藥學院肖百龍教授，加州大學圣地亞哥分校王英曉教授以及清華大學長庚醫(yī)院黃晨昱博士為本研究提供了幫助。該研究得到了北京市自然科學基金 (JQ18022),北京市自然科學技術委員會(Z181100001818005)和國家自然科學基金(31671036)的資助。
文章鏈接： https://www.pnas.org/content/early/2020/04/30/1910650117?from=groupmessage&isappinstalled=0
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