TGF-β信号通路通过调控气道基底干细胞介导的肺修复及其靶向治疗肺纤维化的新策略

《SCIENCE ADVANCES》：Control of airway basal stem cell–mediated lung repair by TGF-β signaling

本研究针对特发性肺纤维化（IPF）缺乏有效组织修复疗法的难题，揭示了肺损伤微环境中TGF-β信号梯度对气道基底干细胞（BCs）迁移、增殖和分化的关键调控作用。研究人员通过构建条件性基因敲除小鼠模型和开发Smad2/3靶向蛋白降解技术（PROTAC），证实阻断TGF-β信号会导致BCs分化障碍和肺泡区域迁移受阻。创新性地设计了由TGF-β诱导表达抗纤维化蛋白BMP7的工程化干细胞（iBMP7-BCs），移植后显著增强肺修复并降低纤维化。该研究为开发微环境响应型细胞疗法提供了新思路。

　　

在呼吸系统疾病领域，特发性肺纤维化（IPF）如同一道难以逾越的屏障，这种致命性疾病以进行性肺泡结构破坏和不可逆的肺组织纤维化为特征，患者诊断后生存期通常仅为3-5年。当前临床治疗手段只能有限延缓疾病进展，无法实现受损组织的修复与再生。在这一严峻挑战面前，干细胞移植技术为肺上皮再生带来了希望曙光，其中气道基底干细胞（BCs）因其具有多向分化潜能而成为研究热点。

以往研究表明，移植BCs治疗IPF在临床前研究和初步临床试验中显示出安全性和一定疗效，但治疗效果参差不齐。一个核心科学问题悬而未决：肺损伤微环境如何调控BCs的修复功能？特别是著名的促纤维化因子TGF-β（转化生长因子-β）在这一过程中扮演着什么角色？为了回答这一问题，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》上发表了他们的最新发现。

主要技术方法

研究采用了多种关键技术：从IPF患者和健康供体分离培养人源BCs（hBCs）；构建博来霉素（BLM）诱导的小鼠肺纤维化模型；开发靶向Smad2/3的PROTAC降解剂进行功能缺失研究；创建Krt5^CreERT2;Tgfbr2^flox/flox和Krt5^CreERT2;Smad4^flox/flox条件性基因敲除小鼠模型；设计TGF-β诱导表达BMP7的基因工程干细胞（iBMP7-BCs）；应用空间转录组学和单细胞RNA测序进行微环境分析；通过免疫缺陷小鼠移植模型评估治疗潜力。

TGF-β信号在纤维化肺中被激活

研究人员发现，纤维化肺的支气管肺泡灌洗液（BALF）能激活hBCs中的TGF-β通路，显著上调与趋化和迁移相关的基因。空间转录组分析显示，TGF-β1/2/3在损伤肺组织中形成从气道到损伤区域的浓度梯度。进一步分析表明，免疫细胞是TGF-β1的主要来源，而基底细胞高表达TGF-βI型受体（TGFBR1），对TGF-β信号尤为敏感。

通过PROTAC靶向降解hBCs中的Smad2/3蛋白

团队创新性地设计了基于SARA蛋白SMAD结合域（SBD）的PROTAC降解剂，可特异性促进Smad2/3的泛素化降解。实验证实，PROTAC处理能有效阻断TGF-β/Smad信号通路，导致BCs增殖增强而迁移能力受损。移植实验显示，PROTAC-BCs在肺泡区域无法有效分化为表达claudin 4（CLDN4）的上皮细胞，难以形成完整的上皮屏障。

TGF-β信号调控气道BC的分化和迁移

利用条件性基因敲除小鼠模型，研究人员证实删除Tgfbr2或Smad4会导致BCs过度增殖，同时向club细胞和纤毛细胞的分化受损。更重要的是，突变小鼠中BCs向肺泡损伤区域的迁移被显著抑制，伴随基质金属蛋白酶2（MMP2）表达下降，肺损伤修复能力减弱，小鼠生存率降低。

基因工程BCs响应TGF-β信号产生功能性BMP7

为解决BCs移植疗效有限的问题，研究人员设计了由ACTA2启动子控制的TGF-β诱导型BMP7表达系统（iBMP7）。实验证明，iBMP7-BCs能在TGF-β刺激下特异性分泌BMP7，有效抑制肺成纤维细胞向肌成纤维细胞转分化，降低α-SMA（α-平滑肌肌动蛋白）、COL1A1（I型胶原α1链）和FN1（纤连蛋白1）等纤维化标志物表达。

iBMP7-BCs展示增强的抗纤维化能力

动物实验表明，移植iBMP7-BCs能显著改善BLM诱导的肺纤维化。与对照组相比，iBMP7-BCs移植组肺纤维化面积、胶原沉积和纤维化相关基因表达均显著降低，肺泡血管化程度提高，动脉血氧分压和氧饱和度明显改善。值得注意的是，iBMP7-BCs的BMP7表达随时间可调控，与肺内TGF-β信号强度变化相一致。

研究结论与意义

该研究系统阐明了TGF-β信号通路在调控气道基底干细胞肺修复功能中的核心作用：一方面抑制BCs过度增殖，促进其向成熟上皮细胞分化；另一方面引导BCs向损伤区域迁移并参与上皮屏障重建。研究创新性地提出了"双重角色"理论——TGF-β在成纤维细胞中促进纤维化，而在上皮修复过程中却发挥建设性作用。

更重要的是，研究团队利用BCs对TGF-β信号的特异性响应，成功开发了微环境调控的智能细胞疗法iBMP7-BCs。这种工程化干细胞能在纤维化区域自动启动抗纤维化程序，而在健康区域保持静默，实现了治疗效应的时空特异性调控。

该研究不仅深化了对肺修复机制的理解，而且为开发下一代精准细胞疗法提供了全新范式。相较于传统TGF-β抑制策略可能影响上皮再生的风险，iBMP7-BCs疗法实现了抗纤维化与促上皮再生的平衡，为IPF等难治性肺疾病治疗开辟了新的路径。未来研究需进一步评估工程化细胞的长时期安全性和持久性，推动这一创新策略向临床转化。