本论文是一篇学术综述，题为《纤维化：从机制到药物》，于2020年11月26日发表于《Nature》期刊，卷号587。作者为来自英国爱丁堡大学炎症研究中心的Neil C. Henderson，美国克利夫兰诊所勒纳研究所炎症与免疫学系的Florian Rieder，以及美国辉瑞全球研究、开发与医学部炎症与免疫学研究单元的Thomas A. Wynn。论文旨在全面梳理纤维化研究领域的最新进展，特别聚焦于单细胞组学等新兴技术如何革新我们对纤维化机制的理解，并探讨这些发现如何推动精准抗纤维化疗法的开发。
核心主题：纤维化的动态性、复杂性与治疗挑战 文章开篇即强调，纤维化是工业化国家高达45%死亡病例的元凶，可影响任何器官。传统观点认为其不可逆且持续进展，但越来越多的临床前模型和临床试验表明，纤维化是一个高度动态、可塑的过程。这为旨在利用这种内在可塑性的治疗干预提供了明确依据。然而，尽管对纤维化病理生物学的理解有了长足进步，但在确定潜在的抗纤维化靶点与将这些知识转化为对人类有效的治疗方法之间，仍存在巨大的转化鸿沟。本文综述了旨在剖析调控纤维化关键细胞与分子机制的变革性实验策略，以及推动基于精准医学的纤维化患者疗法涌现的转化途径。
纤维化的本质：失调的修复反应与多细胞相互作用 文章首先界定了纤维化的本质：它不是一种疾病，而是组织修复反应在许多类型组织损伤（尤其是慢性炎症性疾病）后失调的结果。纤维组织形成的特点是细胞外基质（ECM，Extracellular Matrix）成分（如胶原蛋白、纤连蛋白）的过度积累，这实际上是所有器官组织修复的正常且重要阶段。当组织受损时，局部组织成纤维细胞被激活，其收缩性、炎症介质分泌和ECM成分合成均增加，共同启动伤口愈合反应。当损伤轻微或非重复性时，愈合高效，仅导致ECM沉积短暂增加，并促进功能性组织结构的恢复。然而，当损伤重复或严重时，ECM成分持续累积，可导致组织结构破坏、器官功能障碍，最终导致器官衰竭。值得注意的是，对胚胎和小鼠胎儿以及人类胎儿手术中组织修复的研究表明，在伤口炎症反应开始之前，未成熟组织能够实现无瘢痕愈合，这表明炎症可能是纤维化的一个诱因。但在成年哺乳动物组织中，衰老、对入侵微生物的反应以及炎症反应随时间变化的特点，共同影响了伤口愈合反应是导致进行性纤维化还是以有效修复告终。
文章强调了多细胞相互作用在纤维化发病机制中的重要性。遗传因素同样关键：与纤维化相关的特定突变和罕见变异揭示了潜在的、可成药的抗纤维化靶点和核心通路。涉及的基因包括肺纤维化中的MUC5B、心脏纤维化中的MYH7以及杜兴氏肌营养不良相关骨骼肌纤维化中的DMD。此类遗传改变提示了间充质细胞活化上游的非成纤维细胞类型（如上皮细胞、免疫细胞）的参与。这强调了纤维化发生过程中，上皮细胞、免疫细胞、内皮细胞与成纤维细胞等间质细胞之间复杂相互作用的核心地位。
单细胞组学革命：揭示纤维化的细胞复杂性 论文的核心部分详细阐述了单细胞多组学方法如何变革医学领域对疾病发病机制的理解，使得以前所未有的分辨率研究健康和疾病状态下的细胞群体成为可能。这场“分辨率革命”使得能够在单细胞水平上对细胞状态和类型进行强大的无偏探索，从而获得关于组织生物学和疾病机制的新见解。这些前沿的单细胞方法已被纤维化研究界广泛采用，以加深我们对驱动纤维化（特别是肺纤维化）的复杂多细胞相互作用的理解。
在肺纤维化中的应用：研究结合单细胞RNA测序（scRNA-seq，Single-cell RNA sequencing）和信号谱系报告基因，生成了小鼠肺间充质的空间转录图谱。每个间充质谱系都展现出独特的空间位置和转录组，进而赋予这些间充质亚群以不同的纤维化生态位调控功能。例如，表达PDGFRA并对Wnt信号响应的肺泡生态位间充质细胞，对肺泡上皮细胞的生长和自我更新至关重要；而Axin2+的肌成纤维细胞祖细胞则在肺损伤后优先产生病理有害的肌成纤维细胞。对来自不同病因肺纤维化患者和健康供体的肺样本进行大规模单细胞分析，确定了在纤维化患者样本中存在一个独特的促纤维化肺泡巨噬细胞群，以及一个在纤维化肺中出现的、功能异常的肺泡II型（AT2，Alveolar Type 2）细胞亚群。这些研究还通过扩散图和伪时序轨迹分析等计算技术，推断出特发性肺纤维化（IPF，Idiopathic Pulmonary fibrosis）中活化肌成纤维细胞的起源，并识别了位于肌成纤维细胞病灶边缘、富含于IPF患者肺中的异常基底样上皮细胞群。
在肝纤维化中的应用：scRNA-seq揭示了小鼠肝星状细胞（HSCs，Hepatic Stellate Cells）在功能上的分区，从而能够高分辨率地识别中央小叶损伤肝脏中关键的致病性胶原蛋白生成细胞。对人类肝硬化肝脏超过10万个细胞的图谱分析，为非实质细胞类型提供了分子定义，并鉴定出一个表达TREM2和CD9的瘢痕相关巨噬细胞亚群，该亚群在肝纤维化中扩增、来源于循环单核细胞且具有促纤维化特性。同时，还定义了表达疾病相关非典型趋化因子受体-1（ACKR1，Atypical Chemokine Receptor-1）和质膜囊泡相关蛋白（PLVAP，Plasmalemma Vesicle-Associated Protein）的内皮细胞亚群，这些细胞在空间上局限于纤维化生态位并增强白细胞的跨内皮迁移。对瘢痕相关巨噬细胞、内皮细胞和PDGFRα+胶原生成间充质细胞之间配体-受体相互作用的多谱系建模，揭示了几条促纤维化通路在瘢痕中活跃，包括TNF受体超家族12A、PDGFR和Notch信号，为在肝硬化肝脏中发现合理的治疗靶点提供了概念框架。重要的是，通过典型相关分析（CCA，Canonical Correlation Analysis）进行的无偏跨物种scRNA-seq数据映射证实，小鼠和人类的瘢痕相关巨噬细胞代表了对应群体，这表明scRNA-seq方法可用于定义跨物种的“核心”纤维化损伤诱导群体和治疗靶点，从而提高从临床前啮齿动物模型到人类肝脏原代细胞或类器官系统的转化流程中，对潜在靶点研究的精确性。
在其他器官系统中的应用：文章还总结了单细胞技术在胃肠道、关节炎和肾脏纤维化研究中的应用。例如，在关节炎中，scRNA-seq结合过继转移实验，在表达FAPα的成纤维细胞群体内鉴定出两个解剖位置和功能截然不同的亚群：位于滑膜衬里下层的FAPα+Thy1+免疫“效应”成纤维细胞，以及局限于滑膜衬里层的FAPα+Thy1-“破坏性”成纤维细胞，它们分别介导炎症和骨/软骨损伤。在肾脏，单细胞/单核RNA测序揭示了在急性肾损伤模型中存在一种独特的、无法修复的促炎促纤维化近端小管细胞状态，并确定周细胞和成纤维细胞亚群是人类肾纤维化过程中瘢痕形成肌成纤维体的主要细胞来源。
成纤维细胞的异质性、可塑性及其靶向策略 论文深入探讨了成纤维细胞在纤维化过程中的功能异质性和表型可塑性。日益复杂的实验方法揭示了器官纤维化过程中成纤维细胞群体内部的巨大多样性和功能异质性。
功能异质性：例如，一项研究通过谱系追踪和活体成像发现，皮肤损伤后，一种特殊的筋膜成纤维细胞亚群会携带其周围的ECM（包括血管、巨噬细胞和外周神经）迁移至伤口表面形成临时基质，消除这些成纤维细胞会抑制基质归巢到伤口并导致疤痕缺陷。在心脏和骨骼肌中，对表达Hic1、PDGFRα和Ly6A的间充质祖细胞（MPCs，Mesenchymal Progenitor Cells）的研究显示，MPCs存在等级结构，其后代在病理生理学中的作用多样，并且MPCs的命运决定具有情境依赖性。衰老也会驱动成纤维细胞的功能异质性增加，这可能反映了不同个体之间随机的、不同的衰老轨迹，在设计针对老年人群的个性化抗纤维化疗法时需要加以考虑。
可塑性与重编程：成纤维细胞不仅显示出显著的功能异质性，而且在纤维化进展和消退过程中还表现出惊人的可塑性和表型转换能力。例如，转录因子PU.1在成纤维细胞极化和纤维发生中起主要作用，失活PU.1可使纤维化成纤维细胞重编程为静止成纤维细胞，导致纤维化消退。在小鼠皮肤伤口愈合过程中，肌成纤维细胞可以再生为脂肪细胞，这种重编程需要新生毛囊触发BMP信号并激活发育过程中表达的脂肪细胞转录因子。此外，通过病毒载体在肝肌成纤维细胞中表达特定转录因子，已成功将肌成纤维体重编程为类肝细胞，从而减少肝纤维化并提高肝功能。这些发现为选择性靶向纤维化过程中的疤痕生成肌成纤维细胞，并将其重编程为支持器官功能的其他细胞谱系，开辟了令人兴奋的抗纤维化和促再生治疗新途径。
靶向策略：对成纤维细胞异质性和表型在不同疾病背景下更精确的界定，应有助于设计合理的、高度靶向的抗纤维化疗法，最终实现在保留必需、稳态成纤维细胞功能的同时，特异性抑制、消融或重编程病理性成纤维细胞亚群。例如，向小鼠过继转移表达针对FAP的嵌合抗原受体的CD8+ T细胞，可选择性消融致病性成纤维细胞，并在损伤后显著减少心脏纤维化。通过阻断NK细胞受体NKG2A来增强自然杀伤（NK，Natural Killer）细胞反应，也被提出作为消除皮肤中衰老成纤维细胞的一种机制。
动态的基质组与纤维化的代谢调控 论文强调了细胞外基质（ECM）在纤维化中作为高度动态实体的作用。纤维化基质通过机械转导通路直接促进肌成纤维细胞活化，硬化的基质内增加的机械应变也为将潜伏的TGF-β1转化为其活性形式提供了直接机制。通过基质金属蛋白酶（MMPs，Matrix Metalloproteinases）及其组织抑制剂（TIMPs，Tissue Inhibitors of Metalloproteinases）的作用，肌成纤维体不断调节基质的沉积和周转。质谱、蛋白质组学和空间蛋白质组学的进展将极大加速我们对基质组本身的变化如何独立于炎症信号而维持组织纤维化的理解。
文章还详细阐述了参与纤维化进展和消退的细胞所发生的代谢“重编程”。在组织损伤后，间充质细胞（尤其是成纤维细胞）经历深刻的代谢变化，以促进增殖和蛋白质合成等耗能的细胞功能。例如，成纤维细胞通过上调限速糖酵解酶来增加有氧糖酵解；乳酸等副产物通过降低细胞外pH和激活TGF-β1来促进肌成纤维细胞分化，乳酸本身也可能作为间充质细胞的额外能量来源。成纤维细胞活化会增加关键的糖酵解酶，进而增加细胞增殖和胶原合成。在增强的糖酵解过程中，更多的丙酮酸在线粒体基质中转化为乙酰辅酶A，进入三羧酸（TCA，Tricarboxylic Acid）循环，产生琥珀酸盐等中间代谢物，促进纤维化。失调的糖酵解与肺、肝和肾纤维化的实验模型有关，抑制糖酵解可减少ECM积累。在纤维发生过程中，间充质细胞还利用氨基酸代谢的变化，通过谷氨酰胺分解重编程。谷氨酰胺分解和关键酶谷氨酰胺酶的水平在TGF-β1刺激的成纤维细胞中增加，这导致谷氨酰胺向谷氨酸的转化增强，通过mTOR信号传导赋予细胞抗凋亡能力并促进胶原稳定。脂肪酸氧化的变化也与纤维发生有关。在小鼠和人类的肾小管间质纤维化中，细胞内脂肪酸氧化下调，而恢复脂肪酸氧化可防止纤维化。靶向这些关键代谢通路（如增强的糖酵解、上调的谷氨酰胺分解和改变的脂肪酸氧化）的药物，未来可能成为治疗纤维性疾病的新选择。
巨噬细胞介导的纤维化调控与整合素介导的TGF-β激活 论文深入探讨了炎性单核细胞和组织驻留巨噬细胞作为纤维化关键调节者的作用，它们在组织损伤的启动、维持和消退中扮演重要角色，并具有显著的功能可塑性。多项研究已识别出能够调控纤维化和组织重塑的单核细胞/巨噬细胞亚群。例如，在肺纤维化中，一种具有粒细胞特征的、称为隔离核非典型单核细胞（SATMs，Segregated-nucleus-containing Atypical Monocytes）的群体，以及两个独立且跨组织保守的间质巨噬细胞亚群（Lyve1loMHCIIhi和Lyve1hiMHCIIlo），在纤维化过程中具有不同功能。此外，来自体腔（如腹膜腔、心包腔）的成熟巨噬群在无菌组织损伤后能快速侵入受损器官（如肝脏、心脏），参与损伤反应并影响纤维化结局。
巨噬细胞与成纤维细胞的相互作用是纤维化形成的关键。最近的研究表明，收缩的成纤维细胞能在纤维胶原基质中产生形变场，为巨噬细胞提供远距离的物理线索，巨噬细胞能够机械感知其底物的局部位移速度，从而被成纤维细胞从数百微米的距离吸引。这种依赖于基质内动态力源的趋化机制，超越了传统化学趋化梯度的作用范围，揭示了细胞间相互作用的新范式。
论文着重讨论了整合素介导的转化生长因子-β（TGF-β，Transforming Growth Factor-β）激活在纤维化中的核心地位及其作为治疗靶点的潜力。几乎所有TGF-β都以潜伏形式分泌并与ECM结合，因此TGF-β功能在纤维化过程中的调节主要依赖于其位点特异性的激活，而非其合成或分泌。最深入研究的TGF-β1激活机制是TGF-β1潜伏复合物与含αv的整合素亚群（如αvβ1， αvβ3， αvβ5， αvβ6， αvβ8）的相互作用。当表达αvβ6整合素的细胞收缩对潜伏复合物施加机械力时，构象变化导致活性TGF-β释放。而αvβ8依赖的TGF-β激活则可以独立于肌动蛋白细胞骨架力发生。丰富的临床前数据表明，在不同细胞谱系上表达的含αv整合素在各种纤维化疾病模型中具有关键的调节作用。因此，针对多种含αv整合素的小分子和抗体方法正在临床试验中进行评估，例如针对αvβ6、αvβ1/αvβ6以及αvβ1/αvβ3/αvβ6的抑制剂，主要用于肺纤维化的治疗。然而，由于TGF-β在维持组织稳态和免疫调节中的广泛作用，系统性抑制可能产生不良副作用，因此开发能够局部、选择性抑制TGF-β激活（如通过阻断特定整合素）的策略至关重要。
细胞因子介导的纤维化调控与微生物组的贡献 除了TGF-β，其他细胞因子也被确定为纤维化的触发因素。论文重点讨论了两种不同的细胞因子通路：IL-1–IL-17A–TGF-β轴和2型细胞因子轴。前者由急性期促炎细胞因子（IL-1， IL-6， TNF）与TGF-β共同启动，促进IL-17A分泌细胞的发育，IL-17A通过增加成纤维细胞上TGF-β受体的表达并促进中性粒细胞反应来驱动纤维化。后者则由警报素细胞因子（胸腺基质淋巴细胞生成素、IL-25、IL-33）启动，驱动2型固有淋巴细胞、T细胞和嗜酸性粒细胞产生IL-4和IL-13，从而促进纤维化，其作用在很大程度上独立于TGF-β。IL-11作为IL-6/gp130细胞因子家族成员，被发现能整合来自这两条通路的促纤维化信号，是一个有前景的治疗靶点。决定哪条通路占主导地位的机制尚不完全清楚，可能取决于损伤类型和持续时间。针对这些细胞通路（如IL-13、IL-4/IL-13、TNF抑制剂）的临床试验已在多种纤维化疾病中开展，尽管结果喜忧参半，但表明靶向特定细胞因子通路具有治疗潜力。
论文还阐述了微生物组，特别是肠道菌群，在纤维化发展中的贡献。在肠道稳态被破坏时（如炎症性肠病），微生物群失调被认为是疾病发病的关键驱动因素，并与肠道纤维化（狭窄形成）密切相关。肠道菌群失调也通过细菌及其产物（如脂多糖LPS）易位至肝脏，激活炎症并导致肝纤维化。模式识别受体（如TLR4、TLR5、TLR9、NOD2）在包括成纤维细胞和星状细胞在内的多种细胞上表达，能够感知微生物相关分子模式，触发促纤维化表型。有趣的是，TLR4信号在不同器官中的作用可能存在差异，例如在肺纤维化中显示出保护作用，而在肠和肝纤维化中则具有致病性。
未来方向与挑战 论文最后展望了纤维化研究的未来方向与挑战。尽管近年来在理解纤维化发病机制方面取得了令人瞩目的进展，但仍需克服多重挑战才能将这些信息转化为有效的抗纤维化疗法。
单细胞组学与精准医学：单细胞基因组学方法已经产生了以前无法获得的新发现。该领域持续快速发展，新兴技术已能在单个细胞中测量多组学读数（基因组、表观基因组、转录组、蛋白质组）。空间分辨分子分析正在扩展我们对这些细胞群体如何在原位相互作用的理解。这些多模态单细胞技术的融合与整合，以及像人类细胞图谱这样的全球性倡议，代表了一个前所未有的机会，以前所未有的分辨率解码纤维化的细胞和分子机制，进而应有助于推动纤维化疾病治疗进入精准医学的新时代。为一种纤维化疾病开发的新疗法，由于这些研究揭示的跨器官共享通路，可能适用于广泛的纤维化疾病。
转化挑战与解决方案：论文概括了当前抗纤维化药物开发面临的主要挑战及潜在解决方案：（1）需要开发能够更好地将新机制从实验室转化到临床的、具有预测性的动物模型和离体原代人类组织培养系统。（2）患者异质性以及纤维化进展缓慢，使得临床试验的患者选择困难。因此，需要在患者入组试验前，获得准确、经过验证的纤维化疾病进展预测因子，以将患者分层为高风险人群。（3）目前试验终点高度可变，且通常缺乏在短时间内预测有利反应所需的敏感性，这需要在临床试验中纳入大量患者。因此，需要开发与临床意义明确的结果更好相关的非侵入性终点。在纤维化领域