北京大学第三医院毛凤彪团队：细胞间通讯的新见解和临床意义

2024年8月7日，北京大学第三医院毛凤彪团队在期刊《Signal Transduction and Targeted Therapy volume》上发表了题为“Cell–cell communication: new insights and clinical implications”的研究论文。本综述增强了科学界对细胞间结合后发生的生物学过程的理解，突出了其在发现与精准医学相关的新治疗靶点和生物标志物方面的应用。这种集体理解，为开发新的靶向药物和个性化治疗奠定了基础。

https://www.nature.com/articles/s41392-024-01888-z

研究介绍

 01 

细胞间通讯（CCC）是一个重要过程，它深刻影响生物体的稳态、发育和疾病过程。通常，CCC涉及与分泌配体和质膜受体的相互作用，但它也包括分泌酶、细胞外基质蛋白、转运蛋白和直接细胞间接触机制。不同的细胞采用不同的CCC来确保生物发育、稳态和组织修复。

从本质上讲，CCC是多细胞生物的基本特征。通过协作在细胞之间建立的动态通信网络，在各种生物过程中起着举足轻重的作用。这种相互作用是生物体功能不可或缺的一部分，影响细胞代谢、能量转化、维持生理功能、调节生长、发育、免疫反应、单细胞功能和其他关键生命过程。例如，在免疫反应期间，CCC使免疫细胞能够识别和对抗病原体。在生长发育中，CCCs调节细胞增殖和分化，促进器官和组织的正常发育。当细胞无法正确相互作用或误解分子信息时，通常会表现出疾病。CCC反映了生理交流的基本水平，触发对生存所必需的内部或外部环境的反应。当细胞相互交流时，细胞外信号通常会诱导细胞内信号转导级联，导致细胞反应，例如细胞骨架、代谢或基因表达的变化。这些转导级联反应不同水平的调节和反馈机制，随着时间的推移调节通路的活动。信号通路是生物体内部通信和对外部环境反应的基础。它们负责将细胞外信号转换为细胞内反应，从而调节细胞行为和功能。这些通路涉及一系列精确的分子事件，包括信号的接收、放大、分布和触发特定细胞反应。关键的细胞测定，如细胞骨架重组、细胞周期检查点和程序性细胞死亡，取决于严格的时间调控和激活信号转导的特定空间分布。了解这些途径在疾病中是如何被破坏的，为开发新的治疗方法，提供了可能性。

CCC的复杂性已被公认为发育生物学、致癌和器官功能障碍的分子机制的一部分。探索不同条件下的CCC动态变化，可以更深入地了解不同生物过程的内在机制，有助于阐明疾病发生和发展的机制。10年来，单细胞RNA测序在多个研究领域得到了广泛的应用，以研究配体-受体动力学在细胞间通讯中的关键作用。单细胞RNA测序（scRNA-Seq）等技术使研究人员能够探索多细胞生物体内，不同细胞类型之间错综复杂的通信模式，为细胞通信机制、细胞功能和细胞群组织提供新视角。细胞间通讯分析有助于理解细胞间的相互作用，剖析通讯网络，揭示发育过程中的各种细胞相互作用，探索肿瘤免疫微环境，识别疾病的潜在治疗靶点。因此，识别和量化细胞间信号通路，已成为不同学科的标准做法。

通过配体-受体相互作用（LRIs）激活特定细胞信号通路，构成了细胞通信的基本模式，并且与各种退行性过程和疾病，有着错综复杂的联系。不同的细胞类型共享，促进这些相互作用的共同生物元件，包括配体、表面受体、粘附蛋白、细胞内衔接子，以及聚糖、脂质、细胞骨架和支架蛋白。理解这些共享成分在各种细胞类型中对CCC中生物物理、遗传和生化事件的编排，对于开发基于调节或利用细胞间通讯的蛋白质和细胞的临床疗法至关重要。LRIs的分析为理解细胞行为和对相邻细胞的反应，提供了基础。

从历史上看，CCC研究主要局限于在体外进行的实验，涉及一种或两种类型的细胞和一组有限的基因。随着科学技术的进步，单细胞水平的数据采集能够检测低丰度基因，为细胞通讯研究，奠定了坚实的基础。近年来，多项研究工作都集中在细胞间信号传导上。理解LRIs是在单细胞水平上理解细胞通信的有效方法，大量的研究工作致力于制定策略，以构建基于这些相互作用的细胞通信网络。利用这些技术，许多实验室已经开发了用于细胞通信研究的各种算法和软件。

本综述全面概述了植根于化学和生物学的实验和计算CCC方法，以解码CCCs的复杂性。它广泛研究了生物功能如何依赖CCC来调节关键的生理过程，包括组织稳态、细胞发育以及免疫反应。此外，本文还揭示了CCC机制在调控多种疾病中的作用，这不仅拓宽了科学界对CCC的理解，也为临床的创新治疗铺平了道路。

CCC的临床应用及研究进展

 02 

癌症

癌症被广泛认为是一组以不受控制的增殖和异常细胞扩散为特征的疾病。尽管已经为开发新的癌症治疗方法做出了重大努力，但癌症仍然是一个重大的全球挑战。因此，发现专门针对不同癌症形式的新型疗法，势在必行。由于各种信号转导通路调节细胞生长，因此，这些通路的异常激活或抑制会驱动肿瘤发生。主要通路之一是PI3K-AKT-mTOR信号转导，它与实体癌患者的耐药性和恶性肿瘤过程有关。利用细胞信号分子来识别癌细胞，抑制癌细胞的扩增和增殖至关重要。翻译后蛋白修饰在控制细胞信号传导中，起着至关重要的作用。多种蛋白激酶和磷酸酶，调节蛋白质的磷酸化和去磷酸化。肿瘤经常表现出这种激酶和磷酸酶的不规则或不受控制的激活，使它们成为靶向癌症治疗的重要靶点。举个例子，伊马替尼是一种BCR-ABL融合酪氨酸激酶抑制剂，是第一个成功用于治疗慢性粒细胞白血病（CML）的激酶抑制剂。随后，靶向蛋白激酶的抑制剂如mTOR、VEGFR、MAPK、EGFR、CDK12和ERBB2，已被用于治疗各种常见的恶性肿瘤。利用CRISPR/Cas9等基因编辑技术在基因水平上干预癌细胞，无论是通过敲除还是修饰特定基因，都有可能阻碍癌细胞的增殖和转移。

虽然遗传或表观遗传改变，通常被认为是癌症的根本原因，但癌症的进展与肿瘤细胞、周围基质细胞和细胞外基质（ECM）之间的串扰，有着错综复杂的联系。肿瘤细胞通过与周围的正常细胞、免疫细胞和肿瘤微环境（TME）内的其他细胞类型（如成纤维细胞和内皮细胞）进行交流，来促进自身的生长和增殖。癌细胞可以选择非癌细胞进行广泛的化学和物理相互作用，许多类型的细胞被招募到实体瘤中，并参与复杂的相互作用，使癌细胞能够侵入。肿瘤侵袭不是癌细胞的简单自主过程，而是依赖于复杂的旁分泌相互作用网络。此外，随着癌细胞的扩散，这种网络可能会发生变化。作为血管和淋巴管的组成细胞，内皮细胞不仅为肿瘤提供营养和氧气，而且还充当癌细胞的“逃逸路线”，使它们能够转移到远处的部位。这些TME成分和细胞之间的通讯，是癌症进展的驱动因素，并显著影响治疗和干预的效果。

TME的研究涉及细胞通讯分析，以选择相互作用最大的细胞亚群，并进一步研究其机制。例如，一项研究表明，通过对膀胱癌样本中不同亚群的受体-配体分析，炎症性癌症相关成纤维细胞（iCAFs）与内皮细胞特异性相互作用，促进血管生成和肿瘤增殖，揭示了iCAFs在膀胱癌免疫微环境中的作用。此外，研究人员发现ACKR1在肿瘤内皮细胞中的特异性表达，与胃癌队列的不良预后结果有关，为治疗胃癌提供了新的靶点。肿瘤的各种特征主要受TME调控，包括ECM失调、增殖信号持续激活、抑制因子和凋亡、激活侵袭和转移、代谢失调和逃避免疫破坏。原发肿瘤分泌的因子，可以改变远处器官的微环境，使其有利于被转移性癌细胞定植。肿瘤的生长和进展取决于血管生成，CAF是促血管生成因子（如VEGF或PDGF）的主要来源。肿瘤细胞将促血管生成因子释放到其周围环境中，有助于内皮细胞分泌PDGF，从而吸引支持细胞，以凝固新生血管。肿瘤细胞释放的PDGF直接与募集的骨髓祖细胞上的受体结合，并通过信号激活，诱导分化为内皮细胞或SMC，促进其生长和迁移。

基因突变及其各自的信号通路，是导致细胞凋亡、增殖、细胞存活和分化的主要后果。在癌症中经常突变的大量基因，负责编码PI3K-Akt和Ras-ERK通路的组成部分或靶标。通常，这些通路会响应生长因子或细胞因子的信号，以及整合素粘附受体配体的占用而瞬时激活。随后，肿瘤抑制基因TSC1和TSC2的突变，导致mTORC1信号转导过度激活，而mTORC1信号转导是PI3K-Akt信号转导的重要靶点。转录因子Myc是Ras-ERK信号以及许多其他通路的重要下游靶标，它通常在癌症中被放大或过表达。此外，肿瘤微生物组也可能成为塑造TME局部免疫反应的关键因素。它们可以通过刺激干扰素基因信号激活、T和自然杀伤（NK）细胞激活、三级淋巴结构产生，以及肿瘤微生物组衍生抗原的呈递等机制，增强抗肿瘤免疫。此外，它们可以通过增加活性氧（ROS）水平、促进抗炎环境、使T细胞失活和诱导免疫抑制，来减少抗肿瘤免疫反应，并促进癌症进展。免疫检查点阻断（ICB）是一种革命性的癌症治疗方法，可阻断恶性细胞上表达的抑制分子与T细胞的相互作用，从而在功能障碍的早期阶段，使T细胞恢复活力。ICB治疗的主要类型，包括PD-1/PD-L1抑制剂和CTLA-4抑制剂。PD-L1（PD-1的配体）主要在肿瘤细胞和肿瘤浸润免疫细胞上表达，通过与PD-1结合，来抑制T细胞活性。PD-1/PD-L1抑制剂的作用，是阻断PD-1和PD-L1之间的结合，恢复免疫细胞识别和杀伤肿瘤细胞的能力。CTLA-4抑制剂通过阻断CTLA-4与抗原呈递细胞表面的B7分子（B7-1和B7-2）的结合起作用，从而缓解T细胞的抑制状态。此外，CTLA-4抑制剂还可以通过阻断CTLA-4，来减少肿瘤微环境中高表达CTLA-4的调节性T细胞（Tregs）数量，从而缓解Treg细胞的免疫抑制作用，促进效应T细胞的活化和增殖。这两种类型的抑制剂靶向不同的免疫检查点蛋白，但它们的作用机制相似，都是通过阻断免疫检查点蛋白，来激活免疫系统。最近的研究已经确定IGSF8是先天免疫检查点和肿瘤免疫治疗靶点。新开发的IGSF8.06抗体，可以阻断IGSF8表达的肿瘤对NK细胞功能的抑制作用，从而刺激NK细胞杀灭具有抗原呈递缺陷和应激信号的恶性细胞。

干细胞是细胞疗法的重要组成部分，在修复器官和组织方面，发挥着至关重要的作用，在各种应用中具有巨大的前景。应该注意的是，不同来源的干细胞在增殖、迁移和分化方面，表现出不同的能力。这些差异影响了它们在抗肿瘤治疗中的适用性。具体来说，癌症干细胞（CSC）代表了癌细胞的一小部分，其特征是具有多方面分化、高自我更新和致瘤性的能力。CSC理论假设存在一个微小但至关重要的自我延续癌细胞群，这些癌细胞在肿瘤转移、复发和对治疗的耐药性中，至关重要。然而，CSCs的精确性和生物学作用仍然不明确，促使一些研究人员谨慎行事，并认为该理论存在争议。尽管争论仍在进行，但对CSC的研究仍在继续发展，并揭示了新的见解。CSCs最初是从急性髓系白血病病例中提取的，可能在肿瘤发病时从常规组织特异性干细胞或分化细胞中出现，触发生存途径和永久增殖。机制研究表明，一些发育和稳态信号通路的功能障碍，可能会促进对CSC功能至关重要的不受控制的自我更新和分化。这种分子信号通路，包括Notch、236PI3K/PTEN，237JAK/统计，238和NF-κB，239已知可以调节正常的干细胞增殖。这些信号通路的进一步变化，将导致CSCs和随后的癌细胞的形成。鉴于此，CSC的生物标志物在诊断癌症、指导靶向治疗和预测疾病进展方面发挥了重要作用，因为越来越多的证据表明， CSC可能在从癌症开始到转移扩散的关键阶段，发挥重要作用。

FDA批准的针对CCC异常引起的各种疾病的药物

心血管疾病

重要的身体功能，如心跳和血压维持，都在自主神经系统的控制之下。心血管系统对肾上腺素能受体（AR）从神经末梢分泌的激素的交感神经刺激做出反应，肾上腺素能受体（AR）是心脏中的主要GPCR。在血管平滑肌中，儿茶酚胺刺激通过α-ARs引起血管收缩，并通过β引起血管舒张2-ARs。在心脏中，儿茶酚胺刺激通过β-AR引起心率和心肌收缩力增加。在心肌细胞中研究最广泛的信号通路，在β肾上腺素能刺激下被激活。

心血管疾病包括一系列影响心脏或循环系统的疾病，包括心力衰竭、冠状动脉疾病、中风、高血压和动脉粥样硬化。动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病，其特征是在血管壁上形成富含脂质的斑块，可导致心肌梗塞、中风、不稳定型心绞痛和心源性猝死。动脉粥样硬化不再被视为一种脂质贮积症，因为研究报告称炎症机制参与疾病的进展，例如白细胞在病变部位的积累。斑块内的白细胞产生生长因子，诱导晚期病变中的SMC增殖。动脉粥样硬化的流动，触发内皮细胞中的NF-κB活化，导致炎性细胞因子的产生，从而建立有利于动脉粥样硬化的环境。典型的动脉粥样硬化斑块包含脂质核心，凋亡巨噬细胞构成坏死核心。巨噬细胞活化触发各种细胞因子的释放，转化为泡沫细胞，随后发生坏死。

此外，冠心病（CHD）占所有心血管疾病死亡人数的42.1%。高密度脂蛋白相关胆固醇（HDL-C）与通过CCC降低冠心病患者的风险和增强的结果有关。胆固醇通过HDL-C从外周组织细胞（如巨噬细胞或血管SMC）运输到肝脏，以便通过胆汁或粪便进行恢复或排泄。ApoA-1是主要的HDL结构蛋白，已被公认为一种抗动脉粥样硬化标志物，用于获取肝细胞和肠细胞流出的胆固醇和磷脂。胆固醇在动脉中的沉积，可以启动动脉粥样硬化过程，导致多种细胞类型的浸润，包括巨噬细胞、成纤维细胞和SMC，所有这些都在斑块形成中发挥作用。

研究记录了发育中的斑块和晚期斑块的内膜病变中存在细胞外囊泡（EVs），表明它们在人类斑块形成的开始和高潮中都起作用。源自泡沫细胞的EV，已被确定为SMC迁移和激活ERK通路的催化剂，从而加剧病变进展。研究表明，在暴露于氧化低密度脂蛋白等致动脉粥样硬化触发因素后，巨噬细胞EV富含许多miRNA，包括miR-146a、miR-128和miR-185。此外，miR-146a通过促进巨噬细胞向血管壁迁移，与加速动脉粥样硬化进展有关。内皮细胞和SMC之间的细胞间通讯，对于维持血管稳态至关重要。在KLF5的驱动下，EVs介导的miR-155从SMCs转移到内皮细胞，导致紧密连接和内皮屏障完整性的破坏，促进动脉粥样硬化。KLF2诱导的内皮细胞EVs中miR-143和miR-145的转移，阻断了SMCs的转分化，从而通过内皮细胞-SMC通讯，介导了对动脉粥样硬化的保护作用。

在心脏中，越来越多的证据表明，心肌细胞和非肌细胞（如成纤维细胞和巨噬细胞）中存在CCC。此外，心肌细胞和血管内皮细胞共享许多CCC系统，包括直接通信和旁分泌信号，如泛性蛋白、半通道和嘌呤能信号。有理由相信，它们可以通过CCC来规范彼此的行为。例如，血管功能障碍与心律失常有关。随着科学界对CCC的了解不断加深，推动各种心血管疾病治疗的新机遇，将不断涌现。

由代表性异常CCC引起的一些疾病的例子。CCC是一个重要过程，它深刻影响生物体的稳态、发育和疾病过程。当细胞无法正确相互作用或误解分子信息时，疾病通常会显现出来。a 肿瘤细胞侵入周围组织和血管壁，渗入血管并沿循环系统扩散到身体的其他部位，然后与原始组织生态位细胞相互作用并迁移到远处组织进行定植和生长。b 抗中性粒细胞胞质抗体（ANCA）相关血管炎：促炎环境启动浆细胞产生ANCA，并通过细胞因子引发中性粒细胞。c 星形胶质细胞和小胶质细胞在神经退行性疾病中的作用：危险信号或入侵病原体激活小胶质细胞以释放促炎细胞因子，这些细胞因子作用于星形胶质细胞，而星形胶质细胞又被激活以释放促炎细胞因子。d 类风湿性关节炎II.的发病机制：参与关节破坏的主要细胞类型和细胞因子途径。e ILC2s在哮喘发病机制中的作用：过敏原、病毒或蠕虫引起受损上皮细胞释放警报素，并刺激GATA3/RORa ILC2s表达2型细胞因子。白细胞介素-4、-5和-13分别引起浆细胞IgE升高、嗜酸性粒细胞扩增和气道高反应性。f SARS-CoV-2病毒进入的机制：SARS-CoV-2利用其刺突（S）蛋白吸附和穿透细胞。S1通过其受体结合域（RBD）与细胞膜上的受体血管紧张素转换酶II（ACE2）结合，S2介导病毒包膜与宿主的融合，使病毒核衣壳进入细胞质。g I型糖尿病与II型糖尿病：胰岛细胞的破坏阻止它们产生胰岛素，阻止葡萄糖进入细胞并导致1型糖尿病。人体细胞对胰岛素的反应性降低导致胰岛素抵抗，而无法正确使用胰岛素代谢葡萄糖会导致 2 型糖尿病。h 小胶质细胞在发育中大脑的不同作用：在健康的大脑发育过程中，处于稳态的小胶质细胞介导少突胶质细胞前体细胞（OPC）成熟为有髓鞘的成熟少突胶质细胞++

挑战与前景

 03 

CCC是多细胞生物适应内部和外部环境波动，保持体内平衡的基本机制。通过CCC，生化和物理信号在细胞之间发送和接收，影响细胞表型和功能。然而，目前的研究挑战是，从scRNA-seq数据中破译细胞间通信的方法，主要在细胞亚型或簇水平的分类上进行分析，往往忽略了单个细胞中的信息。

这些挑战包括：

(1)数据解析的复杂性：虽然scRNA-seq技术提供了以单细胞分辨率解剖复杂多细胞生态位的能力，但必须认识到CCC不是在群体水平上运作，而是在单细胞规模上发生。因此，开发新型的CCC推理方法势在必行。这些方法应检查单细胞动力学及其相互作用，并利用封装在scRNA-seq数据中的所有信息。

(2)复杂的实验设计：研究细胞间相互作用的传统方法，通常涉及昂贵的设备和复杂的程序。此外，这些方法表现出有限的灵活性，并且通常与其他分析过程不兼容。

除此之外，目前CCC在生理条件下的细胞间相互作用中的适用性，更为广泛。然而，在病理或后处理过程中，会发生细胞类型转变，从而影响分析的准确性。为了提高准确性，可以考虑以下方法：

(1)使用多组学方法：结合单细胞转录组学、蛋白质组学和代谢组学，可以全面分析细胞间相互作用的变化，减少由细胞类型转变引起的分析偏差。

(2)开发精确的细胞标记物：开发新的细胞标记物，可以更准确地区分不同的细胞类型，并更精细地监测细胞状态的变化。

(3)进行验证实验：根据分析结果，进行验证实验，以确认细胞类型转变对结果的影响，并进一步验证分析的准确性。

(4)与临床数据整合：将实验数据与临床数据进行整合和分析，可以更好地了解细胞类型转换在疾病发展和治疗过程中的作用，提高分析的准确性和可信度。

未来，细胞通信网络的研究将走向更深入的阶段，具体前景包括：（1）基于多组学细胞通信网络的研究；（2）探索通信网络结构和功能的动态变化；（3）深入研究信号通路中的关键成分和相互作用；（4）药物靶向治疗和副作用预测；（5） 微流体系统的利用，已成为研究细胞间ECM通信的实用工具。微流控系统具有试剂消耗量低、试剂精确管理、高通量和功能组件无缝集成等优点。它们有助于在群体和单细胞水平上，对细胞相互作用进行全面研究；（6）开发用于推断CCC的新型多组学分析方法。

综上所述，CCC网络的结构分析和应用具有巨大的意义，其研究在应对生命科学领域的众多挑战方面，具有巨大的潜力。

参考资料：

1.Bonnans, C., Chou, J. & Werb, Z. Remodelling the extracellular matrix in development and disease. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 15, 786–801 (2014).