高分辨率多模态成像揭示粘液阻塞性肺病小鼠气道粘液栓塞的时空异质性

《Scientific Reports》：High-resolution multimodal imaging reveals spatial and temporal heterogeneity of airway mucus plugging in mice with muco-obstructive lung disease

本研究针对粘液阻塞性肺病中气道粘液栓塞的时空动态特征不明确这一关键问题，采用高分辨率多模态成像技术，在βENaC转基因小鼠模型上系统研究了从新生期到成年期气道粘液栓塞的分布规律。研究发现粘液栓塞呈现明显的年龄依赖性和区域异质性，并通过同步辐射CT和扫描电镜揭示了粘液栓塞程度与气道壁粘附性的强相关性及其超微结构特征，为开发靶向治疗策略提供了重要依据。

　　

在慢性阻塞性肺疾病(COPD)、囊性纤维化(CF)等粘液阻塞性肺病中，气道粘液栓塞是导致气流受限和疾病进展的关键病理特征。然而，由于技术手段的限制，科学家们对粘液栓塞的形成过程、空间分布规律及其随时间演变的动态特征仍知之甚少。传统组织学方法存在二维观察的局限性，难以全面评估粘液栓塞在复杂气道树中的三维分布情况。正是为了解决这一难题，由Claudia V. Benke和Julia Duerr等研究人员组成的团队在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。

为了深入探究粘液栓塞的时空特性，研究团队采用了创新的多模态成像策略，结合微计算机断层扫描(μCT)、同步辐射计算机断层扫描(SRCT)和扫描电子显微镜(SEM)三种技术，在β上皮钠通道转基因(βENaC-tg)小鼠模型上系统分析了从新生儿到成年期不同发育阶段的气道粘液栓塞特征。这种多尺度成像方法使得研究人员能够从全器官水平到纳米尺度全面表征粘液栓塞的特性。

研究的关键技术方法包括：采用血管灌注固定技术保存气道粘液的原位分布；通过μCT(9μm体素大小)进行全肺成像和视觉粘液评分；使用SRCT(3.25μm体素大小)对选定区域进行高分辨率成像和粘液定量分析；以及基于μCT引导的SEM进行粘液栓超微结构观察。研究纳入了21只βENaC-tg小鼠和28只野生型对照小鼠，分为新生儿(0-1天)、幼年(13-16天)和成年(49-59天)三个年龄组。

年龄依赖性气道粘液阻塞的进展

μCT分析显示，βENaC-tg小鼠的气道粘液栓塞呈现明显的年龄依赖性变化。新生儿βENaC-tg小鼠的粘液评分与野生型对照无显著差异，而幼年βENaC-tg小鼠则表现出显著升高的粘液评分，表明粘液栓塞明显增加。成年βENaC-tg小鼠虽然评分较幼年组有所下降，但仍显著高于对照组，提示气道粘液积累持续存在。

粘液阻塞呈现不同的区域模式

对不同肺叶和气道代数的分析揭示了粘液栓塞的异质性分布模式。幼年和成年βENaC-tg小鼠在所有肺叶中的平均粘液评分均显著高于相应对照组。特别值得注意的是，幼年βENaC-tg小鼠的粘液栓塞在所有气道代中分布较为均匀，而成年小鼠则表现为从近端到远端气道呈指数性下降的模式，粘液栓塞主要集中在近端气道。

粘液气道壁粘附与管腔阻塞的相关性

通过SRCT微分析，研究人员量化了粘液面积比(管腔阻塞程度指标)和粘液接触比(气道壁粘附程度指标)之间的关系。三种不同的计算方法(切片法、骨架法和测地线法)均显示这两个参数之间存在强正相关性(r≥0.80)。线性回归分析进一步证实了随着管腔阻塞程度的增加，粘液与气道壁的粘附也呈系统性增加的趋势。

比较μCT引导的SEM实现粘液栓超微结构的纳米级可视化

μCT引导的SEM分析揭示了粘液栓的分层超微结构：基底层为致密、粘附于气道上皮的粘液基质，表层则呈现粗糙的丝状结构。高分辨率图像清晰显示了被埋藏的动纤毛和杯状细胞，以及陷入粘液基质中的颗粒物质，为理解粘液栓的结构特征提供了直观证据。

本研究通过多模态高分辨率成像方法，系统揭示了βENaC-tg小鼠模型中气道粘液栓塞的时空异质性特征。研究发现不仅证实了粘液栓塞的年龄依赖性进展规律，还首次定量揭示了粘液栓塞程度与气道壁粘附性之间的强相关性，并通过纳米级分辨率图像展示了粘液栓的复杂超微结构。这些发现为理解粘液阻塞性肺病的病理机制提供了重要见解，强调了针对粘液粘附性治疗策略的潜在价值。研究所建立的多模态成像平台为未来开发靶向治疗策略和评估治疗效果提供了有力的技术支撑，有望推动粘液阻塞性肺病治疗研究的发展。