过敏性疾病除了免疫细胞还能研究什么？这篇Science子刊的独特思路值得借鉴
撰写：八卦小师妹 来源：小张聊科研平台的“ 课题指南针”公众号，微信公众号搜索“ 课题指南针”即可关注/扫描关注见文末
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过敏性疾病是影响人类的最普遍疾病之一，其患病率正以显著的速度上升。今天要给大家带来的文章是近期发表在Science Immunology(IF 30.630)上的“Epithelial-intrinsic defects in TGFR signaling drive local allergic inflammation manifesting as eosinophilic esophagitis”，文章主要讲述了TGFβ 在控制组织特异性过敏性炎症方面起着一种基本的、非冗余的、上皮细胞内在的作用，这种作用独立于它在适应性免疫中的作用。
嗜酸性粒细胞性食管炎 (EoE) 是一种以食管嗜酸性粒细胞性炎症为特征的慢性疾病，患者通常表现为吞咽困难和食物嵌塞。EoE 与其他过敏性疾病有许多共同特征，包括炎性细胞浸润的特征、上皮增生的存在以及上皮衍生的警报素的诱导，表明具有共同的病理生理学特性。环境和遗传因素都有可能诱发 EoE。在与 EoE 相关的前 10 个基因变异中，几乎所有变异都发生在上皮细胞表达的基因中，并且大约三分之一编码参与转化生长因子-β (TGFβ) 信号转导的蛋白质。
作者发现， R1 (Tgfbr1M318R) 小鼠能自发发展出 EoE，该 EoE 具有 100% 的外显率且与人类的疾病特征非常接近，并证明上皮发育中的原发性缺陷(独立于淋巴细胞或过敏原)可以启动 T 辅助细胞 2 (TH2) 炎症级联反应。食管上皮细胞中 TGFβR 信号减少导致细胞生长抑制分化程序无效，并导致促炎介质过度增殖和分泌。于是作者提出了，过敏性疾病的起源是由上皮细胞引发的局部无菌性炎症，将上皮的作用扩展到屏障功能之外，将其先天免疫功能包括在过敏性疾病体质中。这些发现促进了作者对常规限制组织特异性过敏性炎症机制的理解。
研究结果
1. R1 小鼠自发发展出符合 EoE 诊断标准的疾病
EoE 患者最常见的症状是吞咽困难和食物嵌塞。WT 小鼠的食管(图 1A)狭窄且通畅，而 R1 小鼠的食管扩大(图 1B)，与 WT 小鼠相比，对R1 小鼠冲洗食管后回收了更多的固体物质(图 1C). 在 R1 小鼠的食管组织横截面中，扩张和食物阻塞也很明显(图 1D 到 1G)。
因此，R1 小鼠食管的临床和组织学特征满足既定的 EoE 诊断标准。
为了确定 R1 小鼠和人类疾病内型之间的相似程度，作者对 R1 小鼠内部食管组织进行了 RNA 测序 (RNA-seq)，并计算了小鼠样本中基因表达水平。
区分内型的一个物理特征是 EoEe2 中没有纤维化，而 EoEe3 中存在纤维狭窄。R1 小鼠没有狭窄的食道，并且 R1 中表达最高的胶原蛋白基因低于 WT 食道。这些离体数据与体外数据一致，体外数据表明在转染 Tgfbr1M318R 的细胞中，SMAD 靶基因的诱导受损。
然后作者将基因表达分析扩展到 EoE 诊断基因组之外。类似于人类活检生成的数据集，大多数的差异表达基因在 R1 中高于 WT 食管。与最近的流式细胞术和来自人体组织活检的单细胞基因表达数据一致，WT 和 R1 食管中的 B 细胞、嗜碱性粒细胞、粒细胞和自然杀伤细胞数量很少。
总之，TGFβR 信号缺陷小鼠的发病年龄、转录组、临床特征、组织学特征和炎症浸润共同概括了人类 EoEe2 的疾病特征。
为了确定 T 细胞如何影响 R1 小鼠的 EoE 病理学，作者将 R1 变体引入先天性缺乏淋巴细胞的小鼠中。实验得出的结论是由 R1 变体引起的 EoE 表型的任何方面都不是淋巴细胞依赖性的(图3H-O)。
为了评估骨髓 (BM) 衍生细胞与非造血细胞中 TGFβR 信号改变对 EoE 病理生理学的相对影响，作者对 R1 小鼠进行了辐照并用 WT BM 重建。重建八周后，WT 供体 BM 衍生的嗜酸性粒细胞在 R1 小鼠的食道中积累(图 4A)，并伴有食道扩张和食物嵌塞(图 4B)。
因此，放射抵抗的宿主细胞中减弱的 TGFβR1 信号传导对于在 R1 小鼠中引起 EoE 是必要且充分的。相反，仅 BM 衍生细胞中改变的 TGFβR1 信号不会引起疾病。
EoE 的诊断标准是嗜酸性粒细胞炎症与食道分离。有研究调查证实，嗜酸性粒细胞在 R1 小鼠的 BM、淋巴器官或肠道中没有增加(图 4E)。R1 小鼠的前胃也表现出与食管相同的组织病理学特征。作者观察到嗜酸性粒细胞在 R1 小鼠中的积累在解剖学上仅限于由复层鳞状上皮排列的组织，这表明了这些特化细胞是组织限制性炎症的原因。
6. R1 小鼠的 EoE 不是基于改变的食管屏障功能
作者试图了解上皮细胞驱动过敏性炎症的机制。在健康分化的角质形成细胞中，编码外皮蛋白 (IVL)、envoplakin (EVPL) 和 periplakin (PPL) 的基因被同时诱导，然后是聚丝蛋白 (FLG) 和兜甲蛋白 (LOR)，以及桥粒核心蛋白 1 (DSG1)。
为了确定观察到的基因表达变化是否影响细胞间接触，作者使用透射电子显微镜检查了食管上皮的结构。颗粒层包含扁平、紧密堆积的细胞，这些细胞通过每个细胞周边均匀分布的桥粒相互连接。棘层包含有核细胞，从立方体转变为扁平体，并通过多刺突起之间的桥粒相互连接。在基底上层中既没有观察到扩张的细胞间隙 (ICS)，也没有观察到桥粒的数量、分布或结构的变化。
与基底层相比，R1 和 WT 食管之间的实质性差异存在于基底层中。而这一层仅由 WT 食管中的一个或两个立方形细胞组成(图 5K)。为了确定 R1 小鼠基因表达和超微结构特征的差异是否导致食管屏障渗漏，作者评估了屏障功能。跨上皮电阻 (TEER) 用于定量食管组织的电阻抗(图 5R)。
得出的结论是，食管屏障功能的破坏无法解释 R1 小鼠中 EoE 的发展。
由于食管屏障功能完好无损，作者下一步是确定哪些其他机制可能导致 R1 食管发炎。与 WT 食管相比，R1 中 Cdh3 的表达更高，Cdh1 的表达更低(图 5A，◄)。Cdh1、Cdh3 和 Cldn1 的启动子不包含典型的 SMAD 结合基序，表明它们在 R1 上皮细胞中的失调是间接的。
角蛋白基因在发育过程中受到严格调控，可用于评估角质形成细胞分化。正如预期的那样，WT 食管中的 K14 (角蛋白14)仅限于一层薄薄的基底细胞。
作者继续比较分化和基底角质形成细胞之间表达差异最大基因的表达量，R1 食管的转录组表明存在异常的细胞周期调节。
这些数据表明，鳞状上皮细胞中 TGFβR 信号传导的减少会损害细胞周期调节，表现为基底细胞增生，这是 EoE 一个显著的组织学特征。
总的来说，作者的研究结果表明 R1 食管中未成熟、过度增殖和受损的上皮细胞积累。作者试图确定这些 TGFβ 诱导的上皮细胞稳态扰动可能导致炎症的机制。结果显示R1 食管具有 IL-1 和 TNFα 慢性激活的炎症特征(图 7A 和表 S6 和 S7)。屏障表面的炎症级联反应可能用于防止感染因子并促进伤口愈合。
作者选择了几种具有过敏性炎症和上皮过度增殖特征的分子，用于在蛋白质和解剖学水平上进行进一步研究(图 7B 至 7I，以及图 S7)，表明这些特化上皮细胞中 TGFβR 信号减弱是导致 R1 小鼠组织限制性嗜酸性粒细胞炎症的原因。因此，尽管 R1 小鼠的食管上皮结构完整，但 TGFβR 信号的减少导致鳞状上皮细胞的免疫细胞功能激活和改变。
鳞状上皮细胞中 TGFβR 信号传导的减少是 EoE 发病机制的核心。然而，离体食管组织中的基因表达变化反映了许多细胞类型中 TGFβR 信号转导改变的总和。虽然不是绝对需要，但非上皮先天细胞也可能在体内促成 EoE 病理学。
总结
总的来说，作者的研究结果将上皮细胞作为过敏特征的基石，并扩大了 TGFβ 在维持免疫稳态方面的多维作用。本文研究的一个局限性是作者只关注上皮细胞作为 决定EoE 的细胞类型， 需要进一步的研究来确定其他基质细胞和/或造血细胞谱系是否或如何促进 EoE。还需要进一步的研究来了解微生物组和饮食等外部因素如何影响食管上皮稳态。作者预计食管嗜酸性粒细胞炎症潜在的病因机制也与发生在特殊上皮组织内的其他过敏性疾病高度相关，包括特应性皮炎、食物过敏和季节性过敏。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/xg29mT5bTT7A8g2WJg_juw
