呼吸道疾病的背後元兇正在被揭開廬山真面目！

近日，兩組來自美國的研究團隊同時 Nature 發文，他們分別使用單細胞 RNA 測序技術解密數千個人類以及小鼠的呼吸道細胞的表達模式，繪製了詳細的分子圖譜，並獨立且同時發現了同一種新的肺臟細胞類型—肺部離子細胞（pulmonary ionocytes）。這一新細胞類型的發現不僅是未來囊性纖維化（cystic fibrosis，CF）治癒的希望，更是重新認識呼吸道疾病的開始。

「我們的發現正在顛覆我們對肺部生物學以及肺細胞類型的認知，」其中一項研究的領導者，來自麻省總醫院及 Broad 研究所的 Jayaraj Rajagopal 介紹到，「我認為，也許此時此刻所有肺臟學家都必須後退一步，重新審視自己投身已久的學科，重新思考每一種細胞類型的角色與價值。」

圖 | 肺部離子細胞（橙色）穿過鄰近的上皮細胞

囊性纖維化是一種常見的常染色體隱形遺傳疾病，已有的研究發現，囊性纖維跨膜轉導調控因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR）的表達與囊性纖維化的發生密切相關。儘管在數量上只占到 1%，但肺部離子細胞中的 CFTR 表達水平要遠高於其他類型的細胞。同時若肺離子細胞中的一個關鍵細胞過程被破壞，就會有緻密粘液形成，而這也正是囊性纖維化的一個關鍵特徵。

這代表著，如果可以將囊性纖維化的病因精準到某一特定細胞類型的功能異常，在採取基因療法治療時，就可以特異靶向某一細胞類型。同時，通過單細胞 RNA 測序技術從單細胞水平區分細胞類型，使研究者有機會更精準的認識疾病的發生機制，重塑對組織、器官的生物學理解，甚至徹底顛覆某些疾病的治療思路。

囊性纖維化

囊性纖維化（cystic fibrosis，CF）又稱囊腫性纖維化、囊腫性纖維變性等，是一種常染色體隱形遺傳疾病。1989 年，華人分子遺傳學家徐立之成功分離了導致囊性纖維化的重要基因—囊性纖維跨膜轉導調控因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR）基因。

一般來說，只有兩條等位基因同時突變時患者才會發病，主要表現為汗液、消化液、體液以及粘液的分泌異常。此病症常發生於胰臟、肝臟、腎臟及腸等部位，其中以肺部的病變最為常見。囊腫纖維化所產生的濃稠粘液會阻礙細小的氣管，這些粘液在肺部成為細菌繁殖的場所，使得肺部反覆受感染髮炎而導致肺部組織的變化，最終表現為呼吸困難，目前並無方法可以治癒該疾病。

圖 | 患有囊性纖維化的患者肺部常有濃稠的粘液阻礙呼吸

儘管30 年前就已經獲知了 CFTR 突變與囊腫纖維化之間的關係，但時至今日，科學家們仍舊在摸索治療方案，而其中一個重點就是找到 CFTR 的「出處」，對「症」下藥。

幾十年來，研究者們普遍認為 CFTR 是在纖毛細胞中低水平表達，那纖毛細胞是否正是 CFTR 表達的老巢呢？

說到尋找藏身之所，首先就要從細胞類型的認識開始。在過去的兩百年間，光學和電子顯微鏡的使用使得研究者們有條件通過區分細胞的形態、位置、基本功能等信息對細胞進行基本分類，近 20 年來，隨著分子生物學技術的發展，通過分子標記物對細胞進行分類使人們對不同類型細胞的功能有了更深入的了解。

圖 | 小鼠氣道中的肺部離子細胞（綠色）和纖毛細胞（紫色）

而如今，發展中的單細胞 RNA 測序技術正在解開細胞間的多樣性，研究者可以以單個細胞為單位，獲得更多分子水平的信息，通過不同細胞的基因表達模式、蛋白標誌物進行細胞分類，做到多維度、更精細、更準確。

而今，為了更好地理解 CFTR 與囊性纖維化及細胞類型之間的關係，來自麻省理工 Broad 研究所和諾華公司的研究者們不約而同的想到用單細胞 RNA 測序技術繪製氣道組織的細胞「圖譜」，追蹤細胞類型起源及發育軌跡，最終更好的理解囊性纖維化及其他呼吸道疾病的發生機制。

肺部離子細胞

在題目為「A revised airway epithelial hierarchy includes CFTR-expressingionocytes」的研究中，由 Jayaraj Rajagopal 帶領的研究團隊通過單細胞 RNA 測序技術，分析了約 7500 個小鼠的氣道細胞，成功繪製了氣道組織的細胞「圖譜」，並確定了一種之前文獻中並未加以描述的細胞類型—肺部離子細胞（pulmonary ionocytes）。

這是一種較為罕見的細胞類型，由於其基因的表達模式類似於魚類及青蛙皮膚中常見的離子細胞，因而將其命名為肺部離子細胞。儘管在人類和小鼠的氣道中，離子細胞只占群體總數的 1%，其作用卻不可小覷。進一步的研究發現，呼吸道中絕大多數的 CFTR 都是在肺部離子細胞中表達，也就是說肺部離子細胞正是 CFTR 的主要來源。

這代表著囊性纖維化的發生很可能與肺部離子細胞的功能異常密切相關，而肺部離子細胞很可能就是治癒囊性纖維化的關鍵。為了再次證明猜測，研究者在小鼠模型中故意破壞肺部離子細胞中某一關鍵的分子過程，結果出現了囊性纖維化的關鍵特徵—緻密粘液形成。

同時，來自諾華的研究者們也獨立發現了新型肺細胞—肺部離子細胞的存在。在題目為「A single-cell atlas of the airway epithelium reveals the CFTR-richpulmonary ionocyte」的研究中，同樣通過單細胞 RNA 測序技術，研究者們對數千個人類支氣管上皮細胞及小鼠氣管上皮細胞進行分析，獲得了不同細胞類型在體內穩態及組織修復再生中的行為特徵，成功描述了細胞間的異質性。

新技術帶來的新視角

囊性纖維化並非是一種陌生的疾病，但新的技術卻給臨床研究者帶來了新的理解，也為患者們帶來生的希望。

「這簡直是新技術（如單細胞 RNA 測序）為生物學領域帶來新理解的絕佳範例，」來自凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）的遺傳學家 AnnHarris 並沒有參與研究，但仍舊對這兩個項目評價甚高。

圖 | 小鼠的氣管內表面分布著多種類型的細胞（圖片來源：Nature）

而事實也的確如此，就囊性纖維化而言，此次的研究結果揭示了 CFTR 表達與肺部離子細胞的密切關係，這代表著如果採用基因療法對其進行治療，則可以直接靶向離子細胞，提升治療效率及治癒可能。

同時，對於疾病的理解而言，這兩項研究結果將疾病的發生單位從器官細緻到單細胞水平，通過單細胞 RNA 測序技術從單細胞水平對細胞類型進行區分，確定蛋白標誌物以及轉錄因子的表達模式，使研究者更精準的認識疾病的發生機制，重塑對組織、器官的生物學理解，甚至徹底顛覆某些疾病的治療思路。

而隨著單細胞測序技術的不斷改進和成本的不斷降低，也許未來將會有更多的疾病需要經受科技「目光」的重新考量。