Silica-challenged macrophage secretome drives distinct alveolar and bronchial epithelial-fibroblast crosstalk: a multicellular preclinical modelling approach
本研究表明，受二氧化硅挑战的巨噬细胞分泌组驱动了肺泡与支气管上皮细胞-成纤维细胞相互作用中截然不同的、具有细胞类型特异性的纤维化和炎症反应，凸显了多细胞3D共培养模型在研究硅肺病理机制及筛选治疗药物方面优于传统的2D或动物系统。
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矽肺病是一种由于吸入微小且锋利的结晶硅颗粒（这种物质也存在于沙子、石头和混凝土中）而导致的顽固性肺部疾病。当这些颗粒沉降到肺部深处时，身体的免疫系统会派出被称为巨噬细胞的专门细胞来进行清理。然而，硅颗粒过于锋利，无法被消化，导致这些免疫细胞在清理过程中死亡，并释放出一种触发慢性炎症的有毒化学物质组合。这种持续的信号会导致肺部衬里崩溃，并使组织硬化成疤痕组织，这一过程被称为纤维化。几十年来，科学家们一直试图理解这一连锁反应的具体运作方式以及如何阻止它，但他们在研究方法上面临着艰难的选择。传统的实验室实验通常使用平铺在塑料培养皿中的细胞，这类实验往往无法捕捉到真实肺组织的复杂三维结构；而动物实验产生的结果也往往无法很好地转化到人类身上，因为人类与动物在解剖结构和呼吸模式上存在差异。
为了弥补这一差距，澳大利亚石棉与尘埃疾病研究所的一个研究小组开发了一种通过排列模拟肺部自然结构的真人细胞来模拟该疾病的新方法。他们不再孤立地观察细胞，而是构建了由细胞组成的小型三维球体，并创建了不同的细胞类型上下堆叠的层状系统，使它们能够通过化学信号进行交流而无需直接接触。他们的目标是观察受硅挑战的免疫细胞释放的有毒信号如何影响肺部衬里及构建其支撑结构的细胞，以及这些细胞的物理排列方式是否会改变结果。通过将这些复杂的模型与简单的扁平模型进行比较，研究人员希望揭示此前在研究中无法看到的关于该疾病的细节。
研究人员首先训练了一种特定的人类免疫细胞，使其表现得像肺部的巨噬细胞。他们将这些细胞暴露在两种不同尺寸的硅颗粒中，测量了这些颗粒对细胞健康的影响以及它们释放的化学物质。他们发现，较小的硅颗粒破坏性更大，会导致免疫细胞释放大量的炎症信号。随后，团队收集了这些受压免疫细胞周围的液体（其中含有有毒的化学物质组合），并利用这种混合物处理其他人类肺细胞。他们将这种混合物用于两类人类肺细胞进行测试：一类是位于氧气交换微小气囊处的肺泡细胞，另一类是位于较大气道的支气管细胞。他们在三种不同的设置下观察了这些细胞：平铺在培养皿上的二维形态、呈三维球体分布的形态，以及肺细胞位于免疫细胞上方网格上的层状系统。
当研究人员将有毒的免疫信号应用于扁平的二维培养物时，他们观察到两类肺细胞之间存在明显差异。肺泡细胞变得不再健康，并随着时间的推移显示出炎症加剧的迹象。相比之下，支气管细胞则保持基本稳定，其炎症水平在几天后恢复正常。然而，当研究人员转向三维球体模型时，情况变得更加复杂且更具启发性。球体中的肺泡细胞健康状况显著下降，并表现出强烈的持续性炎症反应。更重要的是，这些细胞开始改变其身份，显示出一种被称为“上皮-间质转化”的过程，即它们开始表现得更像构建疤痕组织的细胞。球体中的支气管细胞也表现出了一些此类变化，但程度较轻，且主要体现在基因层面而非细胞的物理结构层面。
当研究人员将负责构建肺部结构框架的成纤维细胞加入到混合物中时，最引人注目的结果出现了。在包含肺细胞和成纤维细胞的三维球体中，肺泡细胞引发了强烈的反应。有毒免疫信号的存在导致成纤维细胞变得高度活跃，产生大量用于构建疤痕组织的蛋白质。这表明肺泡细胞起到了强效放大器的作用，将局部的免疫反应转化为广泛的纤维化反应。即使将支气管细胞与成纤维细胞配对，它们引发的反应也不如前者强烈；其对应的成纤维细胞保持相对平静，仅产生适量的造疤蛋白。这种差异凸显了所涉及的特定肺细胞类型决定了最终瘢痕形成的严重程度。
为了进一步了解这些细胞如何在不接触的情况下进行交流，研究小组使用了一个层状系统，其中肺细胞位于成纤维细胞上方的多孔膜上。这种设置允许化学物质在层与层之间传递，同时保持细胞在物理上的分离。尽管成纤维细胞从未直接接触到有毒的免疫信号，但当上方的肺细胞受到处理时，成纤维细胞仍表现出强烈的反应。肺细胞感知到危险后，释放出自身的信号传导至下方，指示成纤维细胞开始构建疤痕组织。这证实了肺细胞充当了中间人的角色，将最初的免疫攻击转化为一条指令，指导结构细胞进行组织重构。肺泡细胞发送的信息比支气管细胞要响亮得多，从而导致了成纤维细胞更具侵略性的激活。
该研究得出结论，细胞的物理排列方式在研究像矽肺病这样的肺部疾病时至关重要。许多以往研究中使用的简单扁平模型未能捕捉到损伤的全强度以及不同肺细胞相互作用的具体方式。通过使用能更好地反映真实肺部结构的三维模型，研究人员得以发现，肺泡细胞比支气管细胞更容易受到硅诱导的损伤，并且更有可能驱动纤维化进程。这些发现表明，损伤在肺部发生的具体位置决定了疾病的严重程度，其中对气囊的损伤是导致瘢痕形成的主要驱动力。研究人员提出，这些复杂的多细胞模型为测试新疗法提供了一个更准确的平台，能够更清晰地观察疾病是如何进展以及如何可能被阻止的。
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