《Annual Review of Pathology-Mechanisms of Disease》：Fibroblast Modulation of Stem Cell Lineage Infidelity and Metaplasia in Tissue Fibrosis
编辑推荐：
这篇综述系统阐述了在稳态和组织应激下，成纤维细胞如何作为微环境的关键调控者，主导上皮干细胞的谱系可塑性（如谱系紊乱和化生）。文章重点分析了特发性肺纤维化（IPF）中成纤维细胞驱动肺泡细胞（如AT2细胞）向基底样细胞（KRT5+/KRT17+）转化的分子机制，并扩展讨论了皮肤、食管等其他器官中的类似模式，强调了成纤维细胞-上皮细胞相互作用是组织修复与纤维化、癌症等疾病转化的枢纽。
干细胞谱系可塑性：从稳态到疾病的范式转变
在组织稳态中，上皮干细胞被严格限定在特定的解剖区间内分化。然而，当组织损伤或处于持续应激状态时，这些干细胞能表现出惊人的可塑性，跨越原有的谱系边界，获得其他细胞类型的特征，这一现象被称为谱系紊乱。在某些组织背景下，这种谱系身份的长期转变也被称为化生。这种谱系可塑性决定了组织再生的走向，与纤维化等多种疾病密切相关。虽然对干细胞内在调控机制的研究已取得进展，但关于微环境因素如何“警示”干细胞并改变其谱系命运，我们所知仍少。成纤维细胞，作为提供干细胞结构支架的结构细胞，恰恰是感知组织环境变化并驱动组织反应的关键。它们通过释放生长因子、重塑细胞外基质（ECM）以及与上皮细胞进行双向信号传导，深刻地影响着干细胞的命运决策。
谱系紊乱与化生的概念与例证
谱系紊乱是指细胞偏离原有的谱系特异性分化轨迹，获得通常属于其他细胞类型特征的现象。它最初在癌症生物学中被认识，例如在急性白血病中，可在单个白血病母细胞中共存髓系和淋巴系标记。在生理条件下，如皮肤伤口愈合中，干细胞也会暂时地改变其谱系身份，以促进快速修复。然而，当这种适应性的临时转变无法终止，就会转变为持续的病理性状态，即“永不愈合的伤口”。
化生是描述这种干细胞可塑性的另一个概念框架，尤其常见于上皮。例如，在食管中，慢性胃食管反流导致正常的鳞状上皮被具有杯状细胞的肠型上皮取代，形成巴雷特食管。在肺部，慢性吸烟等损伤会导致正常的气道上皮发生基底细胞增生、过度的杯状细胞分化，甚至在支气管中出现鳞状上皮化生斑块。虽然这些变化增强了组织对损伤的抵抗力，但也牺牲了诸如气道上皮的纤毛清除功能等专门化功能。这些例子共同揭示了谱系紊乱是如何作为多种组织中化生性改变的共同基础，连接了生理适应与病理进展。
纤维化肺病中的干细胞可塑性
在特发性肺纤维化（IPF）中，一个关键病理特征是肺泡内出现支气管化。IPF患者肺内可观察到KRT5+/KRT17+的基底细胞和异常的基底样细胞存在于纤维化病灶附近的囊性结构中。研究证实，在三维类器官培养系统中，人肺泡II型（AT2）细胞在暴露于纤维化微环境因子时，能够转分化为化生的KRT5+/KRT17+基底细胞。这种转分化通过一个过渡状态进行，该状态与IPF肺单细胞图谱中识别到的异常基底样细胞的转录组特征相似。这一谱系紊乱的分化轨迹终点是化生性转化，即气道基底细胞取代了维持远端肺泡气体交换屏障的内源性肺泡祖细胞（AT2细胞）。临床上，IPF患者支气管肺泡灌洗液的基因表达谱富含气道基底细胞相关基因，这与更差的生存期相关，表明基底细胞化生与疾病严重程度存在功能联系。
基底细胞化生并非肺纤维化特有，在严重病毒感染（如流感、COVID-19）后的肺中也能观察到。动物研究表明，严重或反复的肺损伤会导致p63+、KRT5+的基底样细胞显著扩增并迁移至肺泡。这些细胞形成KRT5+的上皮“豆荚”，并保留气道细胞特性，很少成熟为功能性的肺泡上皮细胞，从而形成类似气道上皮的囊性结构，类似人体内的蜂窝状病变。在短期，基底细胞来源的上皮可有效封闭暴露的基底膜，暂时恢复屏障完整性，但代价是丧失正常的肺功能。如果这些转分化的细胞不能被恰当清除或无法分化成功能性肺泡上皮，持续的基底细胞化生将导致气体交换能力的长期损害。细胞自主的分子通路，如低氧、转录因子TP63（如ΔNp63）、YAP/TAZ、SOX2、Notch信号通路，以及表观遗传改变，共同驱动了这种谱系紊乱。
肺内成纤维细胞的异质性
肺内成纤维细胞具有显著的异质性，拥有不同的空间分布、转录谱、发育起源和动态行为。在健康成年肺中，成纤维细胞主要包括与特定生态位相关的亚型：位于远端肺实质（肺泡隔）的肺泡成纤维细胞、位于气道和血管外周基质区域的血管周围成纤维细胞，以及位于支气管和细支气管周围的支气管周围成纤维细胞。这些在空间上明确的亚型也在人类肺图谱中得到证实。
在肺纤维化中，成纤维细胞表型发生剧烈变化，静息的亚群被激活。谱系示踪和单细胞RNA测序研究表明，驱动纤维化的病理成纤维细胞主要来源于正常肺中的常驻肺泡成纤维细胞谱系。肺损伤后，肺泡成纤维细胞发生增殖和表型转变，产生多种在未损伤肺中不存在的成纤维细胞亚群。其中一个关键的驱动纤维化的群体是Cthrc1+的纤维化成纤维细胞，它们富含于纤维化病灶，产生大量细胞外基质，并在特发性肺纤维化特征性的成纤维细胞灶中积累。肿瘤微环境中的癌症相关成纤维细胞与纤维化疾病中出现的成纤维细胞有许多相似之处，两者都共享强烈的TGF-β信号特征，表明是背景依赖的损伤程序驱动了多样化的成纤维细胞表型，这些表型可能潜在地改变干细胞反应。
成纤维细胞驱动的上皮化生与谱系紊乱
研究表明，表达Gli1的成纤维细胞在纤维化肺中创造了一个病理微环境，驱动异常的肺泡上皮细胞命运改变。Hedgehog激活的成纤维细胞上调了祖细胞生态位中骨形态发生蛋白（BMP）通路拮抗剂的表达，创造了一个利于基底细胞分化而非正常肺泡谱系分化的环境。在纤维化人肺中，化生性基底上皮区域也显示出异常的BMP活性。因此，Hedgehog激活的成纤维细胞是成纤维细胞诱导的上皮化生的驱动因素，在肺纤维化背景下建立了一个促进谱系紊乱的生态位。
进一步的机制研究阐明了成纤维细胞来源的信号如何决定上皮命运。例如，间充质来源的FGF10-FGFR2b信号对于气道基底干细胞在损伤后募集至肺泡并进行再生至关重要。在博来霉素损伤的小鼠肺中，气道基底干细胞迁移到受损肺泡，并根据局部信号的不同，或分化为肺泡上皮细胞，或形成细支气管样蜂窝囊肿。增强FGF10-FGFR2b信号可促进肺泡修复，甚至促进小鼠纤维化消退。在人体中，特发性肺纤维化来源的原代成纤维细胞可以在三维类器官中促进AT2细胞向KRT5+基底细胞的转分化，并且转录组分析揭示了一个以肺泡和基底标记物（如表面活性蛋白与KRT8/KRT17）共表达为特征的过渡状态。此外，高TGF-β1活性的成纤维细胞可诱导AT2细胞在离体肺组织培养中呈现基底样表型。TGF-β1刺激成纤维细胞上调分泌性卷曲相关蛋白2（SFRP2），SFRP2随后在AT2细胞中激活非经典Wnt通路，推动其向基底细胞表型发展。+ fibroblasts drive alveolar type II cells to differentiate into basaloid and basal cells. (b) DNA damage in skin triggers fibroblast inflammasome activation and secretion of interleukin 1β (IL-1β), leading to hyperplasia and impaired fate specification in quiescent stem cells. (c) In Barrett's esophagus, activated fibroblasts secrete bone morphogenetic proteins (BMPs) and Wnt ligands, promoting differentiation of squamous epithelial cells into columnar-type epithelium.">
跨器官的成纤维细胞：干细胞谱系可塑性的主导者
皮肤
皮肤中的成纤维细胞异质性在指导皮肤干细胞命运决定中起着关键作用。不同的亚群可以创造促再生或促纤维化的环境，从而显著改变愈合结果。一种机制是组织应激或损伤后的炎症信号传导。研究表明，真皮成纤维细胞的DNA损伤可触发NLRP3炎症小体激活，导致白细胞介素1β（IL-1β）的强效分泌。这种成纤维细胞来源的IL-1β作用于基底层的角质形成细胞，诱导其过度增殖并改变分化程序。阻断IL-1β信号传导可防止这种异常的表皮反应，而外源性的IL-1β则可以重现此反应，表明成纤维细胞的炎症小体激活对于表皮干细胞增生和命运改变是必要且充分的。此外，研究表明，衰老的真皮微环境会限制干细胞可塑性，这与被称为“炎性衰老”的慢性炎症有关。
食管
在胃肠道中，巴雷特食管是化生的经典例子，食管远端的鳞状上皮被柱状、肠样上皮所取代。虽然慢性酸反流和上皮损伤是关键诱因，但越来越多的证据强调了基质成纤维细胞在重编程鳞状干细胞向肠样谱系转化中的作用。研究发现，食管基质中成纤维细胞在慢性损伤反应中分泌的骨形态发生蛋白4（BMP4）信号，可促进食管细胞的鳞状-柱状表型转变。后续研究揭示了异常的Hedgehog信号是这种成纤维细胞-上皮对话的基础。在巴雷特食管中，上皮细胞特异性高表达Sonic Hedgehog（SHH），进而激活邻近的基质成纤维细胞产生BMP4。BMP4通过旁分泌信号作用于鳞状祖细胞，导致转录因子FOXA2和SOX9上调，从而将鳞状祖细胞转化为典型的巴雷特食管的柱状、富含杯状细胞的上皮。基因或药理学抑制Hedgehog或BMP通路可阻止这种化生分化，证实了Hh-BMP-FOXA2/SOX9信号轴的关键作用。单细胞转录组分析进一步表明，人类巴雷特食管活检组织中存在扩张的增生性成纤维细胞群，这些细胞产生细胞外基质成分、Wnt配体和BMP2/4，并定位在化生腺体周围。通过这些分泌因子，成纤维细胞支持并加强了上皮细胞的化生状态，形成了一个基本的正反馈循环。
结论
在多种组织和疾病背景下，成纤维细胞正成为上皮干细胞行为和谱系决定的关键主导者。谱系紊乱是一个贯穿再生性伤口愈合、纤维化和肿瘤发生的共同主线。在生理性伤口愈合中，谱系紊乱通常是短暂的，是帮助组织恢复的适应性反应。相反，持续的损伤或肿瘤环境可以将细胞锁定在这些替代谱系中，驱动诸如特发性肺纤维化或肺癌等病理状态。
一个关键见解是，成纤维细胞在很大程度上决定了这种谱系灵活性是有益还是有害。在健康条件下，成纤维细胞产生发育信号，引导上皮干细胞走向有效的组织再生。然而，在严重或慢性损伤期间，特定的活化病理性成纤维细胞亚群通过分泌促纤维化细胞因子或改变细胞外基质来破坏正常信号传导。这些变化将上皮细胞推向异常的化生状态，导致组织结构的持久性破坏。重要的是，成纤维细胞不是一个同质的群体，而是由具有特定空间分布和功能的不同亚群组成的集合。根据其环境，这些亚群可以支持正常的组织稳态，也可以促进有害的结果。认识到成纤维细胞和上皮细胞之间存在动态相互作用，相互影响着谱系结局，突显了它们在组织生物学中的关键作用。
