生命科學(xué)

Life science

成纖維細(xì)胞是多樣化的間質(zhì)細(xì)胞，通過(guò)產(chǎn)生復(fù)雜的細(xì)胞外基質(zhì)和生物物理和生物化學(xué)線索來(lái)創(chuàng)造信號(hào)龕，參與組織的平衡和疾病。成纖維細(xì)胞譜系多樣、用途廣泛，但對(duì)于這種充斥了人類身體相當(dāng)大一部分的細(xì)胞，我們的認(rèn)識(shí)依舊不甚全面。接下來(lái)，就讓我們從四個(gè)方面來(lái)了解神秘而迷人的成纖維細(xì)胞，踏上一段跨越時(shí)間和空間的人體之旅吧。

成纖維細(xì)胞的定義

“成纖維細(xì)胞”一詞指代以下幾種細(xì)胞：（1）分泌許多與組織細(xì)胞外空間相同的結(jié)構(gòu)和信號(hào)大分子的細(xì)胞；（2）在應(yīng)對(duì)組織損傷時(shí)采用瞬時(shí)收縮的肌成纖維細(xì)胞表型；（3）作為組織常駐干細(xì)胞的信號(hào)龕細(xì)胞；（4）作為專門分化的間質(zhì)細(xì)胞的祖細(xì)胞，有時(shí)稱為間質(zhì)干細(xì)胞（Lemos and Duffield, 2018; Pittenger et al. , 1999, 2019）。

成纖維細(xì)胞創(chuàng)造并維持在解剖學(xué)上多樣化的富含細(xì)胞外基質(zhì)（ECM, extracellular matrix）的結(jié)締組織來(lái)支持廣泛的基本器官功能，如抵抗皮膚的鈍性和銳性損傷，肺部的器官范圍內(nèi)的拉伸和彈性回縮等。除了產(chǎn)生結(jié)締組織外，成纖維細(xì)胞在胚胎發(fā)育、成人穩(wěn)態(tài)、損傷、修復(fù)和重塑過(guò)程中作為專門的間質(zhì)細(xì)胞類型的祖細(xì)胞，如形成骨骼的成骨細(xì)胞或充滿脂質(zhì)的脂肪細(xì)胞。

成纖維細(xì)胞的起源與發(fā)展

1858年，德國(guó)病理學(xué)家Rudolf Virchow首次將成纖維細(xì)胞描述為一種獨(dú)特的細(xì)胞類型，他稱之為"Spindelzellen des Bindegewebes"——“結(jié)締組織的紡錘形細(xì)胞”（Virchow, 1858；圖2A）。Ernst Ziegler首次提出了術(shù)語(yǔ)“成纖維細(xì)胞”，用來(lái)描述愈合后產(chǎn)生新結(jié)締組織的細(xì)胞（Ziegler, 1895；圖2B），這一觀察被Santiago Ramón y Cajal復(fù)制，他觀察到"célula fusiforme "或"fibro-células"是皮膚傷口愈合和疤痕中肉芽組織的重要生產(chǎn)者（Cajal, 1986；圖2C）。1900年代開(kāi)發(fā)的體外技術(shù)的出現(xiàn)促進(jìn)了成纖維細(xì)胞的研究。這些方法允許培養(yǎng)來(lái)自胚胎雞心臟外植體的初級(jí)成纖維細(xì)胞，這些細(xì)胞在傳代后可以在其他細(xì)胞類型之前輕松繁殖（Burrows and Neymann, 1917; Carrel, 1912; Ebeling, 1913; Hogue, 1919；圖2D）。50余年后，來(lái)自小鼠胚胎的3T3成纖維細(xì)胞系的建立（Todaro和Green，1963; Todaro等，1964）進(jìn)一步推進(jìn)了我們對(duì)成纖維細(xì)胞的生物學(xué)和系譜潛力的理解。這些發(fā)現(xiàn)包括識(shí)別成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（FGFs）（Gospodarowicz, 1974）；培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞多線分化為骨、軟骨和脂肪細(xì)胞的現(xiàn)象（Junker等人，2010）；以及成纖維細(xì)胞在生產(chǎn)、重塑和收縮ECM中的關(guān)鍵作用。

盡管有大量的體外成纖維細(xì)胞研究，但這些細(xì)胞培養(yǎng)觀察的體內(nèi)相關(guān)性仍不清楚，而真正的成纖維細(xì)胞特性和它們?cè)隗w內(nèi)原生環(huán)境中的系譜潛力最近才被深入探索。新的證據(jù)表明，成纖維細(xì)胞推動(dòng)了腫瘤相關(guān)大環(huán)境的重大變化，這一點(diǎn)在其他地方得到了廣泛的回顧（Sahai等，2020）。

成纖維細(xì)胞的器官特異性

組織特異性的成纖維細(xì)胞功能和譜系的存在，可以支持特定器官的發(fā)育、維持穩(wěn)態(tài)和修復(fù)需要。在胚胎發(fā)育過(guò)程中，多個(gè)細(xì)胞系聚合形成了成纖維細(xì)胞，它們填充了來(lái)自全部三個(gè)體細(xì)胞胚層的器官，如外胚層衍生的皮膚和乳腺、中胚層衍生的骨骼肌或心肌，以及內(nèi)胚層衍生的肺部。當(dāng)成纖維細(xì)胞在特定的器官增殖時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生結(jié)締組織的獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)、生物

物理和生物化學(xué)成分。

在富含上皮細(xì)胞的器官（以皮膚和肺為例）中，皮膚中的成纖維細(xì)胞產(chǎn)生了一個(gè)具有機(jī)械彈性的、有粘性的、有彈性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，支持著向外的分層表皮的上皮細(xì)胞，和它的許多附屬物，主要是毛囊和汗腺。皮膚中的成纖維細(xì)胞和其他間質(zhì)細(xì)胞系建立了三個(gè)解剖學(xué)上不同的層：乳頭狀真皮、網(wǎng)狀真皮以及真皮白色脂肪組織（dWAT）（圖5A）。皮膚上皮細(xì)胞來(lái)源于外胚層，其結(jié)締組織形成獨(dú)特的層次。相比之下，肺上皮是起源于內(nèi)胚層的，形成一個(gè)高度分枝的樹(shù)，最終形成可膨脹的囊，稱為肺泡。肺部的氣體交換功能關(guān)鍵依賴于肺泡上皮與廣泛的毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)形成緊密的物理連接，并依賴于肺部重復(fù)和快速的擴(kuò)張和收縮能力。這些功能需要肺部的網(wǎng)狀ECM，它具有佳的粘彈性，但有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受氣壓的變化，防止肺泡破裂和潛在的致命的氣壓創(chuàng)傷。隨著肺部的成熟，肺間質(zhì)祖細(xì)胞承擔(dān)了不同的空間位置和功能，包括支氣管周圍和血管周圍的平滑肌細(xì)胞、周細(xì)胞、眾多的間質(zhì)成纖維細(xì)胞群、支持肺細(xì)胞的脂肪纖維細(xì)胞和內(nèi)臟胸膜的間皮細(xì)胞（Peng等人，2013年；圖5B）。

在間質(zhì)器官（以骨骼肌和心臟為例）中，與皮膚和肺不同，骨骼肌沒(méi)有上皮結(jié)構(gòu)，而是由平行排列的大型、高度分化和多核的肌纖維組成，其主要功能是通過(guò)收縮產(chǎn)生力量。肌肉內(nèi)結(jié)締組織有一個(gè)復(fù)雜的分層組織。它的最內(nèi)層被稱為肌內(nèi)膜，圍繞著單個(gè)的肌肉纖維，包含一個(gè)專門的層粘連蛋白和IV型膠原蛋白豐富的基底膜。層粘連蛋白通過(guò)其跨膜受體發(fā)揮作用，幫助機(jī)械力從細(xì)胞內(nèi)收縮裝置傳導(dǎo)到富含I型和III型膠原蛋白的內(nèi)肌層（Chapman等人，2016）。肌纖維群被稱為束，被肌周層所包圍，肌周層與肌腱形成一個(gè)連續(xù)體，富含所謂的肌周層“纜線”，即主要由緊密排列的I型和III型膠原III纖維組成的厚結(jié)締組織束。最終，整個(gè)肌肉被外膜結(jié)締組織層所包裹（Chapman等人，2016）。心肌是一個(gè)解剖學(xué)和生理學(xué)上復(fù)雜的收縮器官，其主要細(xì)胞群——心肌細(xì)胞相互連接，通過(guò)構(gòu)成其中層的夾層盤形成一個(gè)電耦合組織，稱為心肌。心臟也有豐富的成纖維細(xì)胞，它們產(chǎn)生和重塑一個(gè)強(qiáng)大的ECM網(wǎng)絡(luò)，對(duì)導(dǎo)電性和心跳節(jié)奏至關(guān)重要。除心肌外，成纖維細(xì)胞還存在于最外層的心外膜，其中包含專門的脂肪組織，以及最內(nèi)層的心內(nèi)膜，其邊緣是一層內(nèi)皮細(xì)胞。與大多數(shù)其他器官的成纖維細(xì)胞通過(guò)漸進(jìn)性的規(guī)范化起源于間質(zhì)祖細(xì)胞不同，大多數(shù)心臟成纖維細(xì)胞通過(guò)EMT形成，位于室間隔和右心室的成纖維細(xì)胞則是EndMT的產(chǎn)物（Gittenberger-de Groot等，1998；圖5D）。

成纖維細(xì)胞在疾病中的應(yīng)用

目前批準(zhǔn)的抗纖維化療法針對(duì)的是已確立的疾病中的成纖維細(xì)胞的激活，并不能恢復(fù)病變組織的結(jié)構(gòu)和功能。因此，開(kāi)發(fā)旨在促進(jìn)受損組織修復(fù)的策略將大大推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

盡管成纖維細(xì)胞的可塑性在纖維化疾病的背景下可能存在問(wèn)題，但它也為再生干預(yù)提供了機(jī)會(huì)。近來(lái)，這一認(rèn)識(shí)推動(dòng)了通過(guò)分子策略在體內(nèi)原位重編程成纖維細(xì)胞來(lái)恢復(fù)組織解剖和功能（包括直接重編程）的發(fā)展。在皮膚傷口方面，成纖維細(xì)胞成為支持毛囊再生的先天能力可以通過(guò)轉(zhuǎn)錄重編程來(lái)誘導(dǎo)。

已有實(shí)例證明體內(nèi)成纖維細(xì)胞治療性重編程的原則在肝臟和心臟中能夠?qū)崿F(xiàn)，如將Foxa3、Gata4、Hnf1a和Hnf4a等轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)病毒傳遞給肝臟中的肌成纖維細(xì)胞，將其重新編程為肝細(xì)胞樣細(xì)胞，并減少小鼠模型中的肝纖維化跡象（Rezvani等人，2016; Song等人，2016）。上述例子清楚地強(qiáng)調(diào)了將組織駐留的成纖維細(xì)胞直接重編程為“工作”細(xì)胞的治療潛力，并建議將其作為一種新的疤痕替代策略。然而仍存在幾個(gè)重要的問(wèn)題需要解決，包括使用非整合載體的重編程因子傳遞的效率和高成纖維細(xì)胞的特異性（若非排他性），以將這個(gè)富有吸引力的方法轉(zhuǎn)化為安全的臨床應(yīng)用。

結(jié)論和展望

過(guò)去數(shù)十年間，我們對(duì)不同器官和條件下的成纖維細(xì)胞生物學(xué)的理解有了顯著的進(jìn)步。新的方法和技術(shù)使得該領(lǐng)域已經(jīng)從一個(gè)多世紀(jì)前對(duì)培養(yǎng)細(xì)胞的表型研究發(fā)展到體內(nèi)復(fù)雜的遺傳和功能觀察。這些進(jìn)展揭示，不同器官（如皮膚、肺、心臟和骨骼肌）的成纖維細(xì)胞擁有意想不到的相似性的特征，因此目前被用于治療人類疾病。

進(jìn)展頗豐的同時(shí)，許多問(wèn)題和機(jī)會(huì)仍舊存在。例如，正在進(jìn)行的采用單細(xì)胞多組學(xué)和空間基因組學(xué)技術(shù)的努力，將提供關(guān)于成纖維細(xì)胞在組織內(nèi)和組織間異質(zhì)性的關(guān)鍵見(jiàn)解，以及它們對(duì)生理或疾病觸發(fā)因素承擔(dān)多種功能狀態(tài)的能力。隨著我們對(duì)成纖維細(xì)胞基本功能的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了ECM合成的范圍，原位調(diào)控成纖維細(xì)胞可以為以衰老、病理重塑和組織纖維化為特征的廣泛疾病帶來(lái)新的治療可能性。新的研究領(lǐng)域，包括傷口成纖維細(xì)胞、免疫細(xì)胞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)之間的交叉調(diào)節(jié)，對(duì)于理解如何將組織恢復(fù)到受傷前的狀態(tài)至關(guān)重要。最后，有效的臨床轉(zhuǎn)化將需要在本地人類組織和類似人類的模型中進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證，如器官型培養(yǎng)物、異種移植和多能細(xì)胞衍生的器官。這些進(jìn)展將使預(yù)防、治療甚至通過(guò)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)且受控制的修復(fù)來(lái)逆轉(zhuǎn)纖維化的新方法成為可能。