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Cell 子刊:器官老化受损为何难修复​?川大曹中炜解团队码衰老器官中的「循环微环境」效应

背景介绍

 

哺乳动物的器官(如肝、肺和肾等)可以在受到损伤后进行自我修复,以替代受损组织。尽管说不同的器官具有不同的自我修复能力,但是衰老器官的再生能力几乎都会受到抑制。因此,在老化的器官中,受损的组织往往被过多的疤痕所替代,导致纤维化和器官功能障碍


前期研究表明,组织损伤后,血管内皮细胞能够诱导相邻实质细胞分泌细胞因子以帮助器官修复。不过,异常激活的内皮细胞则会产生促纤维化因子,激活血管周围的成纤维细胞并导致纤维化。


另外,在受到损伤后,循环血小板会迅速沉积在血管上,通过形成血凝块及产生生长因子参与器官修复。然而,血小板在器官修复中的细胞和分子机制尚不清楚。同时,血小板是否在衰老器官中参与纤维化的转变尚不清楚。

 

2020 年 12 月 23 日,四川大学华西二院 / 生物治疗国家重点实验室曹中炜课题组 Cell Metabolism 杂志在线发表题为 Aging Reprograms the Hematopoietic-Vascular Niche to Impede Regeneration and Promote Fibrosis 的研究论文。

 

该研究表明,当衰老器官受到损伤后血管内皮细胞中 NRP1 (Neuropilin-1) 和 HIF2a 的异常上调会抑制 EPCR (Endothelial Protein C Receptor) 基因的表达从而激活血液中的血小板和巨噬细胞,形成一种促纤维化的「循环微环境」阻碍再生能力,从而抑制衰老器官的修复及再生

 

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图片来源:Cell Metabolism

 


主要内容


衰老会重塑「循环微环境」,以阻碍器官再生

 

首先,研究人员采用全肺切除术比较不同年龄小鼠肺泡再生和纤维化情况,结果发现,与 2、3、6 个月大的老鼠相比,20 月龄小鼠肺泡再生能力明显受抑制,纤维化程度却显著增加。因此,在后续的研究中,他们将 20 月龄小鼠定义为「老年」小鼠。

 

由于血小板和巨噬细胞在器官修复中起重要作用,因此他们在全肺切除术后对小鼠肺内 CD41 + 血小板和 F4/80 + 巨噬细胞的沉积进行了染色。结果发现,在年老小鼠肺内,血小板与巨噬细胞显著增加,并且两者可结合在血管细胞周围形成「玫瑰花结」。这些数据提示,血小板和巨噬细胞之间的异常相互作用可能促进了衰老小鼠肺脏的纤维化

 

接下来,为了明确血管内皮细胞在衰老相关纤维化中的作用,他们分离了肺毛细血管内皮细胞进行了转录组测序。结果发现,与对照小鼠相比,NRP1 和 HIF2a 在老年小鼠中高表达,而 EPCR 的表达却呈现下调,EPCR 是血管特异表达的抗炎症和抗血栓的多功能分子

 

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图片来源:Cell Metabolism

 

为了分析 NRP1 在衰老相关纤维化中的作用,研究人员构建了血管内皮细胞 NRP1 特异性敲除小鼠(Nrp1iDEC/iDEC。分析结果显示,内皮细胞 Nrp1 的缺失抑制了 Hif2a 的表达,并降低了衰老小鼠肺中血小板 - 巨噬细胞「玫瑰花结」的形成,同时导致 Epcr 的表达水平上调,并且特异性敲除血管内皮细胞 NRP1 后, 全肺切除术后的衰老小鼠的肺泡上皮细胞的增殖及修复能力明显增加


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图片来源:Cell Metabolism


上述的肺脏切除模型中观察到的现象同样在肝脏切除及急性肾损伤模型中重现

 

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图片来源:Cell Metabolism



CXCR4 + 巨噬细胞在衰老器官纤维化中的作用

 

前期研究表明,肺毛细血管内皮细胞可分泌细胞因子来调节肺泡修复。通过比较分析 Nrp1iDEC/iDEC 小鼠和对照组的转录组数据,发现趋化因子 SDF1 的表达在 Nrp1iDEC/iDEC 小鼠的肺毛细血管内皮细胞中被抑制。另外,在全肺切除术后,SDF1 在老年小鼠中特异性高表达,而内皮细胞中 Nrp1 的缺失则会抑制 SDF1 的表达

 

SDF1-CXCR4 信号通路能够调节造血细胞的功能和器官的修复。通过对 SDF1 受体 CXCR4 和巨噬细胞的标记基因进行染色发现,经全肺切除术处理后,老年 Hif2a iDEC/iDEC 小鼠 CXCR4 + 血管周围巨噬细胞的富集减弱。因此,血管周围细胞招募 CXCR4 + 巨噬细胞可能促进了衰老器官中纤维化前血小板 - 巨噬细胞花环的形成

 

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图片来源:Cell Metabolism


上述实验结果表明,衰老器官的血管内皮细胞中 NRP1-HIF2a-EPCR 通路的重塑诱导了 SDF1 的表达,后者通过招募 CXCR4+ 巨噬细胞,阻碍了器官再生,引起了纤维化。

 

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图片来源:Cell Metabolism



血小板参与组织修复的内在机制

 

前面提到,血小板可通过产生促炎细胞因子,如白细胞介素,与巨噬细胞相互作用,参与到器官修复中。为了评估血小板中 IL-1a 的作用,研究人员构建了血小板特异性缺失 IL-1a 的小鼠 (Il1aDPlt/DPlt)。结果发现,去除血小板中的 Il1a 能够阻断血小板 - 巨噬细胞花环的形成,并降低肺组织纤维化的程度

 

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图片来源:Cell Metabolism


研究者借助血小板移植模型发现,与移植 Il1a+/+ 血小板的老年小鼠相比,注射 Il1a-/- 血小板的老年小鼠受试器官的胶原沉积减少,这些数据提示衰老小鼠内皮细胞中的 EPCR 下降可促进血小板 IL-1a 的产生,后者在形成血小板 - 巨噬细胞花环以及促进纤维化中发挥着重要作用

 

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图片来源:Cell Metabolism



重塑「循环微环境」可逆转纤维化表型

 

最后,研究人员探索了上述发现潜在的临床治疗意义。

 

免疫检查点阻断,如抗程序化细胞死亡蛋白 1 (PD1) 抗体的应用,在多种癌症类型中显示出显著的临床效益。然而,免疫治疗可能对部分患者有潜在风险,并可导致免疫治疗相关不良反应,如肺炎及肺纤维化

 

在放射治疗后 1 个月,老年小鼠和幼龄小鼠分别接受或不接受 PD1 抗体治疗,以诱导产生免疫治疗性肺炎。结果发现,放射治疗后,PD1 抗体治疗的老年 Hif2a+/+ 小鼠的肺纤维化程度高于年轻 Hif2a+/+ 小鼠或老年 Hif2aiDEC /iDEC 小鼠;同时,老年 Hif2aiDEC/iDEC 小鼠的死亡率亦显著降低。


这些结果表明了这种「循环微环境」的重塑能够逆转纤维化的表型

 

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图片来源:Cell Metabolism


 

研究总结

 

综上所述,研究人员借助多个不同类型的小鼠模型揭示了年轻鼠和老年鼠中肺、肝、和肾的再生和纤维化情况,发现了循环血小板、巨噬细胞和血管细胞形成异常的微环境在衰老器官的再生及引起纤维化层面的重要作用

 

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图片来源:Cell Metabolism

 

总之,衰老能够异常地重组血小板、巨噬细胞和血管细胞之间的交流,使其参与衰老器官的再生以及纤维化过程

 

同时,重塑这种循环微环境的正常化可能有助于恢复病理条件下的再生能力,使衰老的肺、肝和肾能够被修复而不是纤维化,具有潜在的临床应用价值


 


参考文献:

1. Chen et al., Aging Reprograms the Hematopoietic-Vascular Niche to Impede Regeneration and Promote Fibrosis, Cell Metabolism (2020), https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.11.019.

2. Augustin, H.G., and Koh, G.Y. (2017). Organotypic vasculature: from descriptive heterogeneity to functional pathophysiology. Science 357, eaal2379.

3. Esmon, C.T. (2013). Molecular circuits in thrombosis and inflammation. Thromb. Haemost. 109, 416–420.

4. Mantovani, A., and Garlanda, C. (2013). Platelet-macrophage partnership in innate immunity and inflammation. Nat. Immunol. 14, 768–770.

5. Wynn, T.A., and Ramalingam, T.R. (2012). Mechanisms of fibrosis: therapeutic translation for fibrotic disease. Nat. Med. 18, 1028–1040.



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