本文来源：盛合瑞生物

呼吸系统是人体最重要的生命支撑系统之一，而上皮细胞是呼吸系统的重要组成部分。最近，医院李春炜、刘纯课题组研究发现，基质金属蛋白酶在气道上皮分化中发挥着重要作用。这项研究使用了人纤毛外翻型鼻类器官的研究方法，为我们深入了解呼吸系统的发育和重塑提供了新的视角和方法，对于研究呼吸系统疾病的发病机制和寻找新的治疗方法具有重要意义。接下来就和小学社一起深入了解这项新研究吧！

文章介绍

题目：人纤毛外翻型鼻类器官揭示了基质金属蛋白酶在气道上皮分化中的重要作用

杂志：NatureCommunications

影响因子：IF=14.7

发表时间：年1月

#1

研究背景

Background

气道上皮对于维持呼吸黏膜的稳态至关重要，而基质金属蛋白酶在气道上皮分化中的作用尚不清楚。目前的基质金属蛋白酶研究主要集中在肿瘤领域，对于气道上皮分化的研究较为有限。本研究旨在填补气道上皮分化中基质金属蛋白酶作用机制的空白，为气道发育和疾病阶段的研究提供临床相关的方法。

#2

研究思路

Methods

1、人鼻上皮祖细胞（hNEPC）培养

2、人纤毛外翻型鼻类器官（hANO）培养

3、RNA-seq实验及数据分析

4、MMP活性的测量

5、MMP在hANO中的抑制试验

#3

研究结果

Results

1.建立基于CAH凝胶的人纤毛外翻型鼻类器官（hANO）

研究人员通过对慢性鼻窦炎（CRS）患者的组织样本进行机械破坏和酶解分离上皮细胞，结合之前对气道上皮干细胞的研究，成功设计出一种含有I型胶原蛋白(C)、海藻酸盐(a)和透明质酸(H)的混合CAH凝胶，并建立了一种鼻类器官系统，能再现人类鼻上皮的三维结构特征和细胞组成。该系统与基于Matrigel的顶端肺类器官相比，具有可降解的凝胶系统，能够在分化后期形成类器官的顶层朝向管腔的空白空间（图1）。

图1

2.用刷毛法收集鼻黏膜上皮细胞建立hANO

研究人员利用刷鼻术采集CRS患者和对照组的鼻上皮细胞，使用毛刷法分选总上皮细胞，并直接培养于CAH凝胶系统中，成功地产生了hANO（类器官呈球状形态、搏动纤毛朝外）。研究证实了该微创方法的可行性。

3.分化过程中hANO的分子特征和特点

研究人员通过RNA-seq分析了hANO在三个不同的分化时间点（第10天、第17天和第24天）的基因表达谱的变化。通过分析差异表达基因（DEG），发现第24天相比于第10天有更多的基因上调（）和下调（）。KEGG分析发现细胞周期、细胞外基质（ECM）受体相互作用、Rap1信号通路参与了整个分化过程，而MAPK信号通路和钙信号通路则与完全分化阶段有关。此外，基因集富集分析（GSEA）结果显示，在分化早期，有丝分裂姐妹染色单体分离、细胞周期检查点和细胞周期转变的功能活性显著降低，而当hANO完全分化时，纤毛运动、轴素组装和纤毛组织活动显著增强。在类器官分化后，观察到细胞增殖相关基因减少，但与气道上皮细胞分化相关的基因增加。此外，与ECM组装和胶原分解代谢相关的生物学功能可能有助于CAH凝胶在上皮分化过程中的降解表型（图2）。

图2

4.hANO与气液界面（ALI）模型鼻上皮细胞分化的分子特征比较

研究人员比较了hANO和ALI模型两种上皮细胞分化模型的相似性。通过RNA-seq实验发现，在分化过程中具有重要的纤毛发生相关功能。进一步比较表明两种模型在上皮发育概况方面的相似性较高。在上皮分化过程中，类器官和ALI系统都显示出了与ECM组织相关的功能项的改变，各组ECM相关基因在增殖和分化状态上发生了类似的显著变化，这表明生物功能(如ECM组装/拆卸)的存在并不是CAH凝胶体系培养的产物。综上所述，当前hANO和传统ALI模型的上皮细胞具有相似的分子特征。

5.在hANO分化过程中，MMPs(MMP7、MMP9、MMP10和MMP13)的表达和活性增加

基于RNA-seq分析，研究人员通过检查与ECM组织相关的基因类别确定了潜在的MMP候选基因，并通过筛选出在分化过程中有显著上调趋势的MMP成员，包括MMP7、MMP9、MMP10和MMP13。研究发现上皮源性MMP7、MMP9、MMP10和MMP13参与了hANO分化过程中胶原凝胶的降解。此外，分化过程中，ALI中的MMP7、MMP9、MMP10和MMP13的mRNA水平显著上调，而在Matrigel模型中，除MMP7外，其余3个MMP基因均呈上调趋势。这些发现表明，气道上皮细胞在分化过程中产生MMP基因是一种普遍现象，而不是由当前的水凝胶条件诱导的（图3）。

图3

6.上皮源性MMP活性是hANO正常纤毛黏膜分化的必要条件

研究发现，使用MMP抑制剂可以降低hANO的MMP活性，导致异常分化表型，即杯状细胞数量相对增加，纤毛形成显著减少，胶原蛋白降解延迟。RNA-seq分析表明，MMP抑制剂处理的hANO分子特征表明，纤毛发生受到抑制，但粘液分泌细胞得到增强。此外，在分化阶段，actionin处理的类器官的宿主防御反应和Wnt信号通路功能被激活（图4、5）。

图4

图5

7.在ALI和顶端类器官模型中，气道上皮细胞的凋亡过程依赖于MMP活性

在Matrigel培养条件下，研究人员使用hNEPC成功地建立了分化的鼻类器官，并从分化开始就使用MMP抑制剂。结果显示，与未处理的细胞相比，纤毛细胞比例和特征基因FOXJ1显著降低，而杯状细胞的比例几乎没有变化。这证实了MMP在气道调解过程中的重要作用，并强调了正常气道上皮分化依赖于MMP活性。

8.慢性炎症性鼻黏膜杯状细胞增生中MMP的下调作用

研究使用了鼻息肉粘膜来评估MMP7、MMP9、MMP10和MMP13在正常上皮和杯状细胞增生上皮中的表达水平。结果显示，胶原沉积的增加可能与上皮异常重塑有关，MMP7、MMP9和MMP13主要分布在正常上皮的纤毛细胞和部分基底细胞中，但在杯状细胞分化的上皮中显著下调。这些结果与hANO模型中观察到的变化相似，表明MMP表达上调与气道上皮纤毛发生有关，但MMP的抑制可能导致异常分化模式（图6）。

图6

9特异性MMP对hANO纤毛细胞分化至关重要

研究人员选择了MMP9和MMP13的抑制剂，以及MMP7和MMP10的中和抗体，比较了用他们处理的类器官与未处理类器官中hANO的分化表型。结果显示，使用MMP9抑制剂和MMP7或MMP10中和抗体处理的类器官的凝胶降解程度低于未处理的类器官，纤毛细胞比例也显著降低，而使用MMP13抑制剂处理的类器官中CAH凝胶降解的程度与未处理的类器官相当。MMP9抑制剂处理的类器官杯状细胞百分比增加，而MMP13抑制剂、MMP7和MMP10中和抗体处理的类器官对杯状细胞分化没有显著影响。MMP9抑制剂处理的类器官、MMP7或MMP10中和抗体处理的类器官中纤毛细胞特征基因(FOXJ1)下调;而杯状细胞产生的粘蛋白基因(MUC5AC)仅在MMP9抑制剂处理的类器官中与未处理的类器官相比上调。这些结果表明，正常的粘膜纤毛分化可能依赖于特定类型的MMP（图7）。

图7

小结

本研究揭示了基质金属蛋白酶在气道上皮分化中的重要作用，通过使用人纤毛外翻型鼻类器官的研究方法，为我们理解呼吸系统上皮生长和分化的机制提供了新的视角。研究人员发现，基质金属蛋白酶的活性对气道上皮纤毛的正常形成至关重要，并且与基质的降解有关，从而会影响上皮的极性。此外，他们还发现基质金属蛋白酶的抑制会导致气道上皮细胞异常分化，增加杯状细胞的比例。这些发现为研究呼吸系统疾病的发病机制和寻找新的治疗方法提供了重要线索，对于广大读者来说，这项研究有助于增进对呼吸系统生物学的理解，以及为相关疾病的治疗和预防提供新的思路。

参考文献

LiL,JiaoL,FengD,YuanY,YangX,LiJ,JiangD,ChenH,MengQ,ChenR,FangB,ZouX,LuoZ,YeX,HongY,LiuC,LiC.Humanapical-outnasalorganoidsrevealanessentialroleofmatrixmetalloproteinasesinairwayepithelialdifferentiation.NatCommun.Jan2;15(1):.doi:10./s---1.PMID:;PMCID:PMC.

本文来源：盛合瑞生物