小鼠氣道Club細胞發育特征分析

簡鼎，王藝穎，朱琳，李媛媛,，張光莉，陳詩懿，羅征秀*

1重慶醫科大學附屬兒童醫院兒科研究所/兒童發育疾病研究教育部重點實驗室/國家兒童健康與疾病臨床醫學研究中心/兒童發育重大疾病國家國際科技合作基地/兒科學重慶市重點實驗室，重慶 400014；2重慶醫科大學附屬兒童醫院呼吸科，重慶 400014

氣道上皮是呼吸系統抵御外界致病物質入侵的第一道屏障[1]。Club細胞是位于氣道上皮黏膜處的細胞群，可特異性分泌Club細胞分泌蛋白(CC16)，并可充當干細胞/祖細胞參與氣道上皮的損傷修復[2-4]。Club細胞及CC16在維持氣道上皮的完整性中起關鍵作用[5-6]。研究證實，氣道上皮損傷修復異常是哮喘、慢性阻塞性肺疾病(COPD)等疾病的重要發病機制[7-8]，兒童早期CC16低表達與成年人哮喘、COPD發病密切相關[9-10]，提示生命早期Club細胞結構或功能異常可能是哮喘、COPD發生的重要因素。小鼠是研究Club細胞結構和功能的常見動物模型。Karnati等[11]曾對小鼠Club細胞的生物學特征進行研究，但未對出生后不同時期的Club細胞在各級氣道中的分布、表達、增殖能力和分泌功能變化進行闡述。研究出生后不同時期Club細胞的發育特征對深入闡述氣道上皮的損傷修復機制具有重要意義。本研究分析了BALB/c小鼠模型不同發育時期氣道Club細胞的分布、表達、增殖和分泌等功能變化，以期為研究發育期Club細胞結構和(或)功能異常相關疾病提供更多的參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗動物、主要試劑及儀器 清潔級BALB/c孕鼠12只(購自重慶醫科大學實驗動物中心)，單獨飼養于獨立通氣的消毒飼養盒內，并提供恒定25 ℃室溫、50%～65%濕度、12 h/d光照的環境條件。多聚甲醛購自北京索萊寶科技有限公司；牛血清白蛋白(BSA)、膠原蛋白酶Ⅰ購自美國Sigma公司；抗CC16小鼠來源的單克隆抗體購自美國Santa Cruz公司；抗小鼠熒光二抗AF488、CD31-Biotin、CD34-Biotin、CD45-Biotin、Scal-1-APC、CD24-PE、streptavidin-APC-Cy7、Ki-67-PE-Cy7抗體和細胞固定劑、細胞通透液購自美國eBioscience公司；EpCAM-FITC抗體購自美國Biolegend公司；DAPI購自上海碧云天生物技術有限公司；紅細胞裂解液購自北京天根生化科技有限公司；胎牛血清、Hank's平衡鹽溶液購自美國Gibco公司；小鼠CC16 ELISA試劑盒購自上海酶聯生物科技有限公司；Nikon C2 Plus激光共聚焦顯微鏡購自日本Nikon公司；流式細胞儀(FACSClibur)購自美國BD公司。

1.2 標本采集 孕鼠共生產54只新生小鼠，將小鼠分為出生后1周齡(新生期)、3周齡(幼年期)、6周齡(成年期)[12]，每個時期各18只。所有實驗操作均在超凈工作臺內進行，實驗過程符合國家及單位有關實驗動物管理和使用的規定。將各組小鼠麻醉后心臟采血，用10 ml無菌PBS液進行心臟灌注至雙肺發白。將右肺取出，每100 mg肺組織加入1 ml無菌PBS液，使用電動勻漿器勻漿。根據ELISA試劑盒要求，將外周血于4 ℃下1000×g離心20 min，肺勻漿于4 ℃下5000×g離心10 min后，均收集上清儲存于–80 ℃。將左肺完整取出，用4%多聚甲醛溶液浸透固定，用于肺組織熒光染色。

1.3 免疫熒光檢測各級氣道Club細胞分布形態及表達豐度 氣道Club細胞免疫熒光標記方法參考本課題組前期的研究基礎[13]。將各組小鼠左肺于4%多聚甲醛中固定48 h，梯度乙醇脫水后石蠟包埋，連續切片(厚4 μm)，每組隨機選取12只小鼠，每個肺組織選取3張連續切片。5%BSA封閉60 min，分別用抗CC16小鼠來源的單克隆抗體(1:100) 4 ℃孵育12 h，抗小鼠熒光二抗AF488(1:500)室溫避光孵育50 min，DAPI室溫避光孵育10 min，封片后在Nikon C2 Plus激光共聚焦顯微鏡下拍攝圖像。選取氣管分出的一級支氣管為主支氣管，并在相同位置采集圖像；細支氣管圖像選取標準參考Watson等[14]對細支氣管測量的研究數據。分別于200倍鏡下采集5個主支氣管橫切面圖像，400倍鏡下采集6個細支氣管橫切面圖像，600倍鏡下采集主支氣管及細支氣管縱切面圖像。使用NIS Element Viewer 5.20軟件計算CC16相對于DAPI的平均熒光強度(mean fluorescence intensity，MFI)作為反映氣道Club細胞表達豐度的指標并進行組間比較[13]。

1.4 流式細胞術檢測氣道上皮中Club細胞百分比及增殖能力 參照本課題組前期的研究方法[15]，麻醉處死小鼠后取出肺組織，剪碎后于37 ℃條件下以0.1%膠原蛋白酶Ⅰ孵育15 min，然后置于不銹鋼篩網(300目)上剪碎，將培養皿中獲取的肺組織單細胞懸液于4 ℃下700×g離心5 min，去上清，加入1 ml紅細胞裂解液重懸并靜置2 min，PBS洗2次，4 ℃下700×g離心5 min，去上清，使用含2%胎牛血清的Hank's平衡鹽溶液制成單細胞懸液。細胞表面染色：參照Li等[16]的方法，加入一抗CD31-Biotin(1:40)，CD34-Biotin(1:20)，CD45-Biotin(1:67)，EpCAM-FITC(1:100)，Scal-1-APC(1:100)和CD24-PE(1:25)于冰上孵育40 min；Hank's平衡鹽溶液終止反應，加入二抗streptavidin-APC-Cy7(1:100)冰上孵育40 min。胞內染色：將細胞用固定劑固定30 min，4 ℃下700×g離心5 min，去上清，加入通透液常溫通透5 min，4 ℃下700×g離心5 min，去上清后加入抗體Ki-67-PECy7(1:200)冰上孵育30 min。Hank's平衡鹽溶液終止反應，流式細胞儀上機檢測。CD31–CD34–CD45–EpCAM+Scal-1+CD24low鑒定為Club細胞[16]；Ki-67是一種與細胞增殖相關的核抗原[17]，可將Ki-67+Club細胞/Club細胞的比值作為指標比較各組Club細胞增殖能力的差異。

1.5 ELISA法檢測小鼠CC16表達水平 取儲存于–80 ℃的各組小鼠肺勻漿上清、血清，采用ELISA法檢測小鼠CC16的表達水平，實驗步驟按試劑盒說明書進行。

1.6 統計學處理 采用GraphPad Prim 8.0軟件進行統計分析。計量資料符合正態分布，以±s表示，多組間比較采用單因素方差分析，進一步兩兩比較采用Games-Howell檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 不同時期BALB/c小鼠各級氣道Club細胞分布及表達豐度比較 免疫熒光染色結果顯示，新生期、幼年期和成年期小鼠主支氣管Club細胞在氣道上皮的表達位置參差不齊(圖1A)，而細支氣管Club細胞在氣道上皮的分布形態平坦且均勻(圖1B)。進一步分析發現，隨鼠齡增長，新生期、幼年期和成年期主支氣管Club細胞表達豐度逐漸下降，MFI分別為0.73±0.12、0.43±0.05、0.26±0.08，差異有統計學意義(P<0.05)(圖2A)；此外，隨鼠齡增長，新生期、幼年期和成年期細支氣管Club細胞表達豐度逐漸增加，MFI分別為0.49±0.07、0.73±0.08、1.02±0.19，差異有統計學意義(P<0.05)(圖2B)。

圖1 不同鼠齡BALB/c小鼠主支氣管(A)、細支氣管(B)Club細胞的分布(免疫熒光染色)Fig.1 Comparison of Club cells distribution in main bronchus (A), bronchioles (B) in different ages of BALB/c mice model(Immunofluorescence staining)

圖2 不同鼠齡BALB/c小鼠主支氣管(A，n=5)、細支氣管(B，n=6)Club細胞的表達豐度比較(免疫熒光染色)Fig.2 Expression abundance of Club cells in main bronchus (A, n=5), bronchioles (B, n=6) in different ages of BALB/c mice model (Immunofluorescence staining)

2.2 不同時期BALB/c小鼠氣道上皮中Club細胞百分比及增殖能力比較 流式細胞術檢測結果顯示，新生期、幼年期和成年期Club細胞占氣道上皮細胞的百分比分別為(9.49%±2.38%)、(15.45%±3.86%)、(17.23%±4.82%)，與新生期比較，幼年期和成年期氣道上皮Club細胞百分比明顯增加(P=0.028，P=0.022)，而幼年期與成年期比較差異無統計學意義(P=0.765)(圖3A)；新生期、幼年期和成年期增殖性Club細胞的占比分別為(6.12%±1.89%)、(2.36%±0.98%)、(1.94%±0.75%)，幼年期和成年期Club細胞的增殖能力明顯低于新生期(P=0.007，P=0.005)，而幼年期與成年期比較差異無統計學意義(P=0.690)(圖3B)。

圖3 流式細胞儀檢測不同時期BALB/c小鼠氣道上皮中Club細胞的占比(A)和增殖能力(B)(n=6)Fig.3 Proportion (A) and proliferation (B) of Club cells in airway epithelium in different ages of BALB/c mice model (Flow cytometry, n=6)

2.3 不同時期BALB/c小鼠肺組織勻漿、血清CC16表達水平比較 ELISA檢測結果顯示，隨鼠齡增長，新生期、幼年期和成年期肺組織勻漿上清CC16表達水平分別為(64.02±12.70) ng/ml、(89.31±5.41) ng/ml、(95.74±3.31) ng/ml，與新生期比較，幼年期和成年期肺勻漿上清CC16表達水平明顯升高(P=0.008，P=0.003)，而幼年期與成年期比較差異無統計學意義(P=0.085)(圖4A)；此外，隨鼠齡增長，新生期、幼年期和成年期血清CC16表達水平分別為(13.91±3.36) ng/ml、(25.77±4.68) ng/ml、(28.02±3.99) ng/ml，與新生期比較，幼年期和成年期血清CC16表達水平明顯升高(P=0.002，P<0.001)，而幼年期與成年期比較差異無統計學意義(P=0.657)(圖4B)。

圖4 不同時期BALB/c小鼠肺組織勻漿(A)和血清(B)CC16表達水平比較(ELISA)(n=6)Fig.4 Expressive levels of CC16 in lung homogenates (A) and serum (B) in different ages of BALB/c mice model (ELISA) (n=6)

3 討 論

氣道上皮損傷是多種肺部疾病發病的重要機制[18-20]。Club細胞是一種異質性、多功能的氣道上皮細胞，可作為干細胞/祖細胞及時有效地參與氣道上皮的損傷修復[6]。有研究發現，早期CC16低表達與后期肺功能下降明顯相關[10]，提示生命早期Club細胞的正常表達對維持后期氣道功能穩定具有重要作用。目前對出生后不同時期Club細胞的生物學特征變化知之甚少，因此，本研究對生后不同鼠齡段的小鼠氣道Club細胞進行分析，結果發現出生后Club細胞表達豐度不斷增加的主要部位是小氣道，而新生期則是氣道Club細胞增殖及CC16表達增加的關鍵時期。

然而，本研究發現，大氣道Club細胞的發育特征與小氣道截然不同。Hogan等[21]發現，小鼠大氣道為假復層纖毛柱狀上皮，而小氣道上皮由簡單細胞排列構成，提示大、小氣道Club細胞分布形態不同與相應氣道細胞組成的差異有關。主支氣管是氣管分出的一級支氣管，本研究發現主支氣管Club細胞表達豐度隨鼠齡增長逐漸下降，與Rawlins等[22]發現氣管Club細胞在上皮細胞中的占比隨鼠齡增長而下降一致，提示Club細胞占比或表達豐度隨鼠齡增長而下降可能是大氣道的共同特點。本研究還發現，隨鼠齡增長，細支氣管Club細胞表達豐度增加，與Karnati等[11]報道小氣道Club細胞表達豐度的發育變化結果一致。此外，本研究發現，新生期Club細胞增殖能力最強，Club細胞在氣道上皮中的占比從新生期至幼年期明顯升高。Karnati等[11]發現，小鼠Club細胞平均體積在生后保持不變，但Club細胞總體積和總數量在出生后早期明顯增加，提示Club細胞在新生期處于快速發育階段。CC16作為氣道含量最豐富的分泌蛋白，主要由Club細胞分泌產生，對維持氣道上皮完整性具有重要作用[5]。本研究發現，小鼠肺部、血清CC16水平在生后早期明顯升高，可能與小鼠Club細胞的胞內分泌顆粒數量及體積僅在新生期明顯增多有關[11]，提示新生期是CC16水平增長的關鍵時期。

人類肺的發育過程與小鼠相似，均需經歷氣道的分支和延伸生長[23]，其中包括各類氣道上皮細胞的發育與成熟。小氣道Club細胞結構或功能損傷與哮喘、COPD等多種肺部疾病的發生密切相關[19,24-25]。了解小鼠大、小氣道Club細胞的不同發育特征，不僅可為人體Club細胞的氣道分布規律提供解釋，也可為Club細胞功能失調相關疾病的機制研究提供實驗平臺。有研究發現，兒童早期呼吸道感染或環境暴露可能導致成年后的慢性肺部疾病[26]。流行病學及動物實驗研究發現，新生期感染肺炎鏈球菌、呼吸道合胞病毒或過敏原暴露可促進后期氣道高反應性和(或)哮喘的發生[27-28]，其機制與氣道上皮損傷密不可分[29-30]，但這些不利因素是否導致Club細胞結構或功能損傷，從而參與疾病的發生發展尚需進一步研究明確。

綜上所述，本研究對不同鼠齡段小鼠氣道Club細胞的表達、增殖及分泌功能進行分析，補充了肺發育過程中Club細胞的生物學特征變化。但本研究仍存在一些局限性：僅分析了小鼠主、細支氣管兩個典型支氣管解剖部位的Club細胞，未分析支氣管樹其他部位的Club細胞分布及表達特征，也未研究Club細胞的其他生物學特性如干細胞/祖細胞功能等。因此，后續應進一步加深對氣道Club細胞多種生物學特征的研究，有望為發育期Club細胞結構和(或)功能異常相關疾病提供新的病因機制和治療方向。