解析人与大鼠气道黏液纤毛清除的结构 - 功能关系：为气道疾病研究和治疗奠定基石

《Nature Communications》：

为解决当前对气道结构影响黏液纤毛清除（MCC）机制了解不足，且缺乏人源化模型等问题，研究人员开展了人与大鼠气道 MCC 结构和功能关系的研究。结果发现人与大鼠气道存在差异，体外培养条件也有不同表现。这为评估气道功能、解释临床前模型提供了依据。

　　在人体的呼吸系统中，气道就像一座精密的 “防御堡垒”，而黏液纤毛清除（Mucociliary Clearance，MCC）则是其中至关重要的 “卫士”。MCC 通过特殊的多纤毛细胞摆动，推动黏液层在气道上皮表面移动，从而有效捕获和清除吸入的颗粒及病原体，守护着气道的健康。然而，当 MCC 出现故障时，就如同堡垒的防线崩塌，会引发多种呼吸道疾病，如慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）和哮喘等。

目前，虽然单细胞转录组学的发展让人们对气道组成的复杂性有了一定认识，但在气道结构如何影响 MCC 方面，大部分认知仍依赖动物研究。这就好比在建造一座以人类为蓝本的 “气道疾病模型大厦” 时，却主要参照动物的图纸，导致这座 “大厦” 难以精准反映人类的真实情况。而且，获取人体组织中活纤毛摆动和清除功能的数据困难重重，相关研究极为稀少。同时，气道上皮表面分泌细胞和纤毛细胞的组织情况也未得到充分探索，传统的研究方法存在诸多局限性，这些都限制了对 MCC 的深入理解和相关疾病的研究、治疗。

为了填补这些关键的知识空白，来自德国亥姆霍兹慕尼黑中心（Helmholtz Zentrum München）、美国南加州大学（University of Southern California）等多个研究机构的研究人员展开了深入研究。他们通过建立定量分析方法，绘制了人和大鼠气道树表面纤毛细胞、俱乐部细胞和杯状细胞的分布图谱，并评估了物种间在粒子清除方面的差异，还利用这些数据开发了定量指标和基于物理学的计算模型。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：从人体和大鼠获取气道组织样本（人体样本来自无慢性肺病病史的捐赠者，大鼠样本来自特定实验动物），进行活纤毛摆动和粒子清除的测量；运用免疫荧光染色（IF staining）和成像技术，分析细胞类型组成；构建基于物理学的计算模型，模拟粒子清除过程。

研究结果如下：

1. 气管支气管纤毛化差异：对新鲜分离的人（4 例全肺，气道分支 BG0 - BG6）和大鼠（健康全肺，BG0 - BG5）气道上皮组织进行研究，发现人类气道的纤毛细胞比例（86 ± 9%）显著高于大鼠，且大鼠气管的纤毛化水平呈现交替变化的模式，而人类气道未观察到这种现象。在分泌细胞方面，人气管 - 支气管区域以杯状细胞为主，BG3 及更高区域俱乐部细胞逐渐增多，且约 15 - 30% 的分泌细胞为双阳性（MUC5AC⁺SCGB1A1⁺）细胞。
2. 清除功能差异：测量人（BG0 - BG6）和大鼠（BG0 - BG1）气道的活纤毛摆动和荧光珠运输，发现尽管人类组织的纤毛摆动频率（Ciliary Beat Frequency，CBF）（2.6 ± 0.5 Hz）低于大鼠（4.5 ± 1.3 Hz），但清除速度（16.5 ± 8.2 μm s^-1）却显著高于大鼠（4.8 ± 2.0 μm s^-1）。通过计算归一化的 “每拍清除速度”（Clearance Per Beat，CPB），发现人类组织（6.2 ± 2.5 μm per beat）明显高于大鼠（1.1 ± 0.3 μm per beat），且人类气道的粒子清除方向性更好。进一步分析发现，人类气道的纤毛长度、纤毛摆动有序参数（Ciliary Beat OP）和纤毛摆动幅度均显著高于大鼠，而纤毛化间隙大小在两者间相似。
3. 体外气道培养的差异：对原代人气管上皮细胞在不同分化培养基中进行气液界面（Air - Liquid Interface，ALI）培养，发现不同培养基显著影响细胞组成。其中，PC 和 PC - S 培养基培养的组织在细胞组成上最接近人离体样本。在功能方面，只有 PC 培养的上皮组织接近人离体样本的粒子清除功能，其他培养基培养的组织清除功能较差。
4. 结构和功能的预测关系：通过建立线性回归模型，发现结合纤毛细胞和主要分泌细胞的比例能够有效预测人气道上皮的平均清除方向性，相关系数（R²）达到 0.89。
5. 评估其他模型和条件：利用结构和功能图谱评估其他培养条件和动物模型，发现人诱导多能干细胞（iPSC）来源的气道上皮组织在 PC 培养基中培养时，虽然纤毛覆盖率增加，但 CPB 仍低于预期；在不同培养条件下，如传统静态培养和器官芯片（Organ - on - Chip）培养，细胞组成和清除功能也有所不同；哮喘样炎症条件（IL - 13 处理）会导致纤毛覆盖率下降和清除功能受损；小鼠气管的纤毛化和 CPB 在出生后逐渐增加，与大鼠有相似趋势。

研究结论和讨论部分指出，该研究建立了预测气道形态对粒子清除有效性影响的框架，并设定了比较实验气道模型与人体气道这一 “黄金标准” 的基准。研究发现人与大鼠气道在纤毛覆盖率和清除功能上存在显著差异，挑战了以往认为小鼠和人类气道纤毛覆盖率和清除功能保守的观点。同时，研究表明常用的细胞培养基和培养方案不足以重现健康人气管上皮的 MCC 性能，为后续改进体外培养条件提供了方向。此外，研究还发现分泌细胞类型的组成可能预测清除方向性，为未来研究黏液微流变学和纤毛 - 黏液相互作用提供了新的思路。虽然研究存在一定局限性，如样本来源和实验条件的限制，但该研究为评估实验模型的 MCC 性能提供了定量基准和可视化工具，有助于深入理解成熟、治疗和疾病对纤毛活动及 MCC 的影响，其基于物理学的模型也有助于评估旨在恢复人类 MCC 的治疗方法的疗效。