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心肌梗死后纤维化:成纤维细胞为什么要把CD4⁺T细胞“留在”瘢痕里
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PREFACE 00

前言

心肌梗死后的纤维化有一个非常典型的矛盾:梗死区必须形成足够稳定的瘢痕,否则坏死心肌无法被有效替代,严重时甚至可能发生室壁扩张和心脏破裂;但当修复反应不能及时停止,成纤维细胞持续活化、胶原不断向梗死周边和远隔区域扩展,又会增加心肌僵硬度,推动心室重构和心力衰竭。

因此,真正值得研究的问题已经不只是“哪些因素促进心脏纤维化”,而是修复性纤维化在什么时间、通过什么细胞关系转变成持续性的病理纤维化。近期研究发现,心肌缺血损伤后会逐渐出现一类CD248高表达的成纤维细胞。这类细胞在慢性阶段持续富集于梗死区和梗死周边区,并且具有一个很特别的功能:它们可以通过CD248-TGFβRI-ACKR3轴增强CD4⁺T细胞在受损心脏中的聚集和滞留。

更重要的是,CD4⁺T细胞留在局部以后又会反过来维持成纤维细胞活化,使原本应该逐渐结束的组织修复形成持续的“成纤维细胞—T细胞”正反馈。这样一来,心肌梗死后的瘢痕扩张就不能只理解为成纤维细胞自身失控,而可能是成纤维细胞主动建立了一个能够长期保留免疫细胞的局部生态位。

导读

一、心肌梗死后为什么既需要纤维化,又必须让它及时停止 二、CD248高表达成纤维细胞为什么更像慢性纤维化亚群 三、成纤维细胞如何通过ACKR3把CD4⁺T细胞留在损伤心肌 四、CD248为什么能同时连接TGF-β信号和免疫细胞滞留 五、CD4⁺T细胞留下以后,为什么会反过来维持瘢痕扩张 六、围绕“成纤维细胞—T细胞”如何建立完整实验闭环 七、心肌梗死和缺血再灌注模型应该如何选择 八、沿着这条轴继续做,还有哪些问题值得深入

一、心肌梗死后为什么既需要纤维化,又必须让它及时停止

心肌梗死以后,大量心肌细胞死亡,而成年哺乳动物心肌细胞的再生能力有限,坏死区域很难重新恢复为完整的收缩性心肌。此时,成纤维细胞快速增殖和活化,大量合成胶原及其他细胞外基质,用纤维性瘢痕取代失去结构完整性的心肌组织,这是维持心室壁完整性必不可少的一步。

因此,心肌梗死早期如果过度抑制成纤维细胞,未必能够带来保护作用。相反,胶原形成不足可能造成瘢痕强度下降,使梗死区更容易扩张。真正的问题通常发生在后续阶段:当坏死组织已经被清除、瘢痕逐渐成熟以后,部分成纤维细胞没有重新进入相对静息状态,而是继续维持较强的活化和基质重塑能力,导致纤维化不断向梗死边缘甚至未直接坏死的心肌扩展。

这也意味着,研究心肌纤维化时不能只测一个终点的Sirius Red、Masson或者COL1A1,然后把“胶原减少”直接解释为有益。必须首先区分早期修复性瘢痕和后期病理性纤维化。如果一项干预在心肌梗死后第1~3天就大幅度抑制成纤维细胞,和在瘢痕已经形成后的第14~28天抑制持续活化的成纤维细胞,其生物学意义完全不同。

近期对成纤维细胞异质性的研究进一步说明,决定这种差异的可能不仅是时间,同一颗受损心脏里本身就同时存在多种功能不同的成纤维细胞状态。有些细胞参与早期瘢痕稳定,有些主要负责细胞外基质重塑,还有一部分在慢性阶段持续存在,并更明显地与炎症细胞发生通讯。CD248高表达成纤维细胞正是后者中非常值得关注的一群。

二、CD248高表达成纤维细胞为什么更像慢性纤维化亚群

在正常成年心脏中,CD248整体表达相对较低。心肌缺血损伤后,CD248高表达成纤维细胞开始逐渐增加,并在疾病进入中后期以后明显富集于梗死区和梗死周边区。无论小鼠心肌梗死组织还是人梗死心脏组织,都可以观察到这类细胞与纤维化区域之间较强的空间关联。

这一时间特征非常关键。传统肌成纤维细胞在急性修复阶段迅速活化,承担瘢痕形成和结构稳定功能;而CD248相关成纤维细胞在后续阶段仍然持续存在,其特征更接近长期基质重塑和慢性炎症维持。另一项针对心肌梗死晚期活化成纤维细胞的研究同样发现,CD248可以标记一类持续活跃于梗死周边区域的成纤维细胞,精准清除这部分细胞能够抑制后续纤维化扩展,同时改善心室重构。

这提示研究心肌纤维化时需要把“成纤维细胞数量”和“成纤维细胞状态”分开。PDGFRα、COL1A1等指标可以帮助识别总体成纤维细胞,POSTN和α-SMA能够反映部分活化或肌成纤维样状态,但如果研究重点已经转向慢性纤维化,就需要进一步观察CD248、ACKR3以及不同活化亚群之间的时间和空间关系。

尤其值得注意的是,CD248高表达细胞的作用可能并不主要来自“比其他成纤维细胞多合成一些胶原”。近期研究显示,它们更突出的特点之一,是能够改变周围免疫细胞的组织分布。因此,CD248更像是把基质细胞功能从“产生细胞外基质”扩展到了“组织免疫微环境”。

研究层级常见检测能回答的问题仍然不能回答的问题
总成纤维细胞PDGFRα、COL1A1成纤维细胞总体是否增加哪个亚群真正驱动慢性纤维化
活化状态POSTN、α-SMA是否发生明显活化活化是否属于早期修复还是持续病理状态
慢性纤维化亚群CD248、ACKR3是否出现特定病理性成纤维细胞状态这些细胞如何影响其他细胞
空间关系CD248与CD4、胶原区域共定位是否形成特定纤维化生态位两类细胞之间是否具有因果关系

SECTION 01

01

成纤维细胞如何通过ACKR3把CD4⁺T细胞留在损伤心肌

心肌损伤以后,T细胞进入心脏本身并不意外。真正值得关注的是,CD4⁺T细胞为什么在某些纤维化区域持续聚集,而没有随着急性炎症消退逐渐离开。

空间分析发现,CD248高表达成纤维细胞和T细胞在梗死区域具有明显邻近关系,而且CD248阳性成纤维细胞与T细胞之间的距离明显小于CD248阴性成纤维细胞。随后进一步筛选发现,CD248高表达成纤维细胞中趋化相关受体ACKR3明显升高,而且ACKR3正是连接成纤维细胞和CD4⁺T细胞的重要节点。

ACKR3也被称为CXCR7,是一种非典型趋化因子受体。它可以调节局部趋化因子的分布和有效浓度,从而影响免疫细胞迁移。体外将心脏成纤维细胞与CD4⁺T细胞建立迁移体系后,增强成纤维细胞CD248表达能够明显促进T细胞迁移,而降低成纤维细胞中的ACKR3以后,这种作用显著减弱。体内同样可以观察到,成纤维细胞CD248升高伴随更多CD4⁺T细胞进入缺血心脏,而抑制ACKR3可以逆转这一变化。

因此,“把T细胞留在瘢痕里”并不是一句单纯的形象描述。它实际上包含了两个连续过程:首先要促进CD4⁺T细胞向受损区域迁移,其次还要形成一个能够维持这些细胞局部存在的微环境。如果成纤维细胞只负责基质合成,就很难解释为什么免疫细胞会长期与特定成纤维细胞聚集;而ACKR3的出现,使这种空间关系具备了明确的分子基础。

实验上也应当区分“T细胞进入”和“T细胞滞留”。单次终点检测CD4⁺细胞数量只能说明组织内累积了多少T细胞,却无法判断增加究竟来自募集增强、局部存活延长还是外流减少。后续如果希望继续提高机制深度,可以结合不同时间点的T细胞示踪、迁移实验以及局部清除动力学,进一步确定ACKR3主要影响哪一个环节。

SECTION 02

02

CD248为什么能同时连接TGF-β信号和免疫细胞滞留

CD248与ACKR3之间并不是简单的转录共表达关系。进一步研究发现,CD248可以影响TGF-βⅠ型受体TGFβRI的稳定性,而TGFβRI又参与维持ACKR3蛋白水平,由此形成一条“CD248—TGFβRI—ACKR3”轴。

当成纤维细胞中的CD248降低以后,TGFβRI水平下降。进一步追踪发现,这种变化与溶酶体降解有关:CD248能够与TGFβRI相关联,并抑制TGFβRI过快进入溶酶体降解过程,使其在细胞中保持相对稳定。TGFβRI得到维持以后,TGF-β相关信号持续存在,并进一步减少ACKR3的降解,使ACKR3蛋白保持较高水平。

这条机制很有意思,因为TGF-β过去在心脏纤维化中更多被理解为促进成纤维细胞活化、肌成纤维样转化和胶原合成。这里的TGF-β信号又增加了一层功能:它通过影响ACKR3稳定性,改变成纤维细胞调控免疫细胞的能力。也就是说,同一条促纤维化信号既可以作用于成纤维细胞自身,又可以通过重塑免疫细胞空间分布进一步放大纤维化。

围绕这一机制做实验时,如果只检测CD248、TGFβRI和ACKR3表达同步升高,证据仍然停留在相关层面。更完整的方案需要分别干预三个节点:降低CD248观察TGFβRI和ACKR3是否同步下降;在CD248下降的基础上重新提高TGFβRI,观察ACKR3能否恢复;随后再检测CD4⁺T细胞迁移或滞留是否重新出现。这样才能真正证明三个节点的上下游顺序。

干预位置预期变化主要回答的问题
降低CD248TGFβRI、ACKR3及CD4⁺T细胞聚集下降CD248是否处于上游
抑制TGFβRIACKR3下降、T细胞迁移减弱TGFβRI是否连接CD248和ACKR3
CD248降低后补回TGFβRIACKR3部分或明显恢复是否存在上下游救援
CD248升高同时降低ACKR3T细胞聚集和纤维化下降ACKR3是否承担关键执行作用
直接靶向CD248高表达成纤维细胞T细胞浸润、纤维化和心功能同步改善整条细胞通讯轴是否具有体内意义

SECTION 03

03

CD4⁺T细胞留下以后,为什么会反过来维持瘢痕扩张

如果CD248高表达成纤维细胞只是把CD4⁺T细胞吸引过来,而T细胞对成纤维细胞没有进一步作用,那么这仍然只是单向的免疫募集。真正推动慢性纤维化持续存在的,是两类细胞之间进一步形成了正反馈。

心肌梗死后的T细胞能够产生多种细胞因子和局部调节信号,不同CD4⁺T细胞状态对炎症消退、组织修复和纤维化的作用也不完全相同。近期研究最重要的发现并不是把某一种CD4⁺T细胞亚型简单定义为“促纤维化细胞”,而是证明当CD248高表达成纤维细胞促进T细胞持续聚集以后,整个局部免疫环境可以维持成纤维细胞活化和瘢痕扩展。

当成纤维细胞特异性降低CD248,或者针对CD248进行抗体干预后,心脏中的CD4⁺T细胞浸润下降,同时胶原沉积和纤维化相关蛋白减少,左室收缩功能和重构指标得到改善。直接清除CD248高表达成纤维细胞,同样能够减少T细胞聚集并抑制纤维化。更有价值的是,在已经形成一定程度纤维化以后再开始干预,依然可以减少持续的瘢痕扩张,说明这条轴并不只参与急性炎症启动,还参与慢性纤维化维持。

从机制设计角度看,下一步真正需要回答的是CD4⁺T细胞究竟通过什么方式反过来维持CD248高表达成纤维细胞。现有结果已经证明两者之间存在功能性依赖,但CD4⁺T细胞内部是否还可以继续分出特定亚群,以及哪一种T细胞来源信号直接维持CD248、TGFβRI或其他成纤维细胞活化程序,仍然存在很大的研究空间。

这也意味着,“成纤维细胞—T细胞”关系可能形成一个典型的慢性病理生态位:成纤维细胞负责建立趋化和滞留环境,T细胞则持续提供能够维持成纤维细胞病理状态的刺激。两类细胞彼此依赖以后,即使最初的急性缺血炎症已经明显下降,局部纤维化程序仍可能继续运行。

SECTION 04

04

围绕“成纤维细胞—T细胞”如何建立完整实验闭环

1、先用时间梯度区分修复期和慢性纤维化期

这类课题最重要的设计之一,是不能只做单一终点。建议至少覆盖急性炎症期、瘢痕形成期和慢性重构期。例如在心肌梗死后第3、7、14和28天连续检测CD248高表达成纤维细胞、ACKR3、CD4⁺T细胞以及胶原沉积,从时间上判断CD248相关细胞通讯究竟何时开始明显增强。

如果CD4⁺T细胞在早期已经大量进入心脏,而CD248高表达成纤维细胞和ACKR3在中后期才持续增加,就提示CD248轴可能更偏向免疫细胞的长期维持,而不一定负责急性期最初的T细胞募集。这一差异对机制解释和后续干预时间都非常重要。

2、证明T细胞真正偏向CD248高表达成纤维细胞所在区域

单纯做心脏流式只能告诉我们CD4⁺T细胞总量变化,却不能证明T细胞与CD248高表达成纤维细胞存在空间关系。建议在组织水平同时检测CD248、成纤维细胞标志和CD4,并结合梗死核心区、梗死周边区和远隔区进行区域分析。

如果CD4⁺T细胞主要聚集于CD248高表达成纤维细胞附近,而且这种空间邻近随慢性纤维化增强,就能够为细胞通讯建立第一层证据。进一步干预CD248或ACKR3以后,如果两类细胞之间的空间距离增大,同时纤维化下降,证据会更加完整。

3、把“成纤维细胞吸引T细胞”单独拆出来验证

体外可以使用原代心脏成纤维细胞和CD4⁺T细胞建立迁移或共培养体系。分别设置正常成纤维细胞、CD248过表达、CD248敲低、ACKR3敲低以及CD248过表达联合ACKR3敲低等条件,观察T细胞迁移数量和局部停留情况。

其中最关键的一组并不是“CD248过表达后T细胞增加”,而是CD248过表达以后再降低ACKR3。如果T细胞迁移重新下降,才能说明ACKR3真正承担CD248下游效应,而不是两个分子各自独立影响T细胞。

4、通过蛋白降解实验锁定CD248-TGFβRI-ACKR3顺序

既然这条机制涉及蛋白稳定性,就不能只依赖PCR。需要把mRNA和蛋白变化主动区分,并通过蛋白酶体、溶酶体抑制以及泛素化检测判断不同蛋白究竟在哪个降解系统中发生变化。

如果降低CD248以后TGFβRI蛋白下降,但加入溶酶体抑制剂能够恢复,就支持CD248主要影响TGFβRI稳定性;如果TGFβRI下降以后ACKR3降低,而蛋白酶体抑制能够减弱这一变化,则可以继续说明TGFβRI参与ACKR3蛋白稳定。这样得到的机制层次明显强于“CD248调控ACKR3表达”。

5、再做CD4⁺T细胞反向作用于成纤维细胞

为了证明正反馈,需要把第二个方向单独做出来。可以收集进入缺血心脏的CD4⁺T细胞,或者建立不同状态CD4⁺T细胞与心脏成纤维细胞的共培养体系,观察POSTN、CD248、COL1A1、COL3A1以及成纤维细胞增殖、迁移和基质收缩功能。

后续再通过Transwell、条件培养液和直接共培养比较,判断T细胞反向维持成纤维细胞主要依赖可溶性因子还是细胞接触。随后从候选细胞因子中继续锁定具体信号,就能够把目前的“成纤维细胞留住T细胞”继续推进成真正的双向正反馈。

6、最后用早期和晚期干预区分“修复”和“过度纤维化”

这一点是整篇机制最值得借鉴的实验设计。可以在心肌梗死早期和瘢痕基本形成以后分别干预CD248轴,比较两种时间窗口对心脏破裂、梗死面积、瘢痕强度、纤维化扩展和心功能的影响。

如果早期过度干预损害瘢痕稳定,而晚期干预能够减少梗死周边纤维化并改善心功能,就能直接证明CD248高表达成纤维细胞的病理作用具有时间依赖性。这比简单证明“敲除CD248能减少纤维化”更接近心肌梗死真实的修复过程。

实验阶段核心问题推荐验证
时间梯度CD248轴什么时候出现第3、7、14、28天连续取材
空间定位T细胞是否与CD248高表达成纤维细胞邻近多重免疫荧光、区域分析
成纤维细胞→T细胞是否依赖ACKR3迁移实验、ACKR3敲低和救援
CD248下游是否通过TGFβRI稳定ACKR3降解抑制、泛素化、上下游救援
T细胞→成纤维细胞是否存在反向维持作用共培养、条件培养液和功能实验
体内因果是否真正驱动慢性纤维化成纤维细胞特异性遗传干预
时间窗口早期修复和晚期纤维化能否分离早期与迟发干预平行比较

SECTION 05

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心肌梗死和缺血再灌注模型应该如何选择

围绕CD248高表达成纤维细胞和CD4⁺T细胞互作开展研究时,永久性心肌梗死和缺血再灌注模型都有价值,但回答的问题并不完全相同。

永久冠状动脉结扎能够形成稳定而明显的透壁性梗死和瘢痕,更适合研究瘢痕形成、梗死周边纤维化扩展以及慢性心室重构。由于坏死区域持续存在,成纤维细胞活化和胶原沉积通常比较稳定,对于观察CD248高表达成纤维细胞随时间出现以及后期纤维化扩展具有优势。

缺血再灌注模型更接近当前临床急性心肌梗死接受血运重建后的病理过程。再灌注能够挽救部分缺血心肌,同时也引入再灌注损伤、微循环障碍和不同的炎症环境,因此更适合研究PCI背景下后续慢性纤维化和免疫—基质细胞互作。CD248-TGFβRI-ACKR3轴已经在缺血再灌注背景下获得了较完整的遗传和药理验证,因此如果重点是复现这条机制,I/R模型具有直接优势。

较理想的设计并不是简单选择“哪一个模型更好”,而是先用一个模型完成机制闭环,再用另一种缺血背景进行交叉验证。如果CD248高表达成纤维细胞—CD4⁺T细胞互作在永久梗死和缺血再灌注中都能够重复出现,其机制可信度会明显提高。

模型主要优势主要局限更适合的问题
永久LAD结扎梗死和瘢痕稳定、慢性纤维化明显与临床再灌注治疗背景存在差异瘢痕成熟、纤维化扩展、长期重构
心肌缺血再灌注更接近血运重建后的临床场景损伤程度受缺血时间和手术波动影响较大再灌注后免疫反应、慢性纤维化和功能恢复
双模型验证可以判断机制是否依赖特定损伤背景工作量和动物数量明显增加机制真实性和普适性验证

检测指标也应当沿着整条细胞互作链设置。除了EF、FS、LVESV、LVEDV等心功能指标,以及Sirius Red、Masson、羟脯氨酸和胶原相关蛋白,还需要增加CD248高表达成纤维细胞比例、ACKR3、CD4⁺T细胞数量及空间分布。如果只看到胶原下降,却没有同步验证CD248—ACKR3—T细胞这一中间链,最终仍然很难说明干预真正作用在什么位置。

SECTION 06

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沿着这条轴继续做,还有哪些问题值得深入

1、真正需要继续拆的是哪类CD4⁺T细胞被留下

现有研究已经较明确地证明CD248高表达成纤维细胞可以促进CD4⁺T细胞在缺血心脏中积累,但CD4⁺T细胞本身仍然包含多种状态。不同辅助性T细胞和调节性T细胞在急性炎症、修复以及慢性纤维化中的作用并不相同,因此下一步不能简单把所有CD4⁺T细胞理解为同一种促纤维化群体。

更值得做的是比较CD248高表达成纤维细胞邻近区域中不同CD4⁺T细胞状态,并判断ACKR3相关微环境是否对某一类T细胞具有更强的选择性。如果最终发现特定T细胞状态才是真正维持慢性成纤维细胞活化的群体,这条机制就能够从“成纤维细胞留住T细胞”进一步推进到“特定成纤维细胞选择性建立特定T细胞生态位”。

2、CD4⁺T细胞到底用什么信号反过来维持成纤维细胞

目前正反馈中最值得继续深入的缺口,是T细胞返回成纤维细胞这一段。可以先比较CD4⁺T细胞与CD248高表达成纤维细胞共培养前后的分泌因子,再围绕与成纤维细胞增殖、胶原合成和TGF-β信号相关的候选物逐一验证。

关键不是继续罗列多个炎症因子,而是找到一个能够完成阻断和救援的中间节点。如果阻断某个T细胞来源信号后CD248、POSTN和胶原下降,再补充该信号能够恢复成纤维细胞状态,整个双向反馈才真正闭合。

3、ACKR3究竟更偏向“招募”还是“滞留”需要继续区分

组织终点的CD4⁺T细胞增加可能同时受进入、存活和外流影响。后续如果结合体内细胞示踪和不同时间点动态分析,就可以进一步判断CD248-ACKR3轴究竟主要提高T细胞进入梗死区的效率,还是让已经进入的T细胞更难离开。

这个问题看似只是机制细化,实际意义很大。如果主要作用是募集,那么干预窗口可能要更早;如果主要作用是慢性滞留,则在瘢痕形成以后仍可能具有较好的干预空间,也更符合迟发抗纤维化治疗的逻辑。

4、CD248的作用可能具有明显的疾病模型依赖性

值得注意的是,CD248并不一定在所有类型的心脏纤维化中都具有相同作用。近期压力超负荷模型研究显示,在Postn阳性成纤维细胞中特异删除Cd248,并没有像缺血损伤模型中那样明显减轻心脏重构和纤维化。

这一结果反而很有研究价值。心肌梗死和压力超负荷虽然最终都会出现心脏纤维化,但前者包含大量细胞死亡、急性免疫浸润和瘢痕替代,后者则更多来自持续机械负荷、心肌肥厚和间质纤维化。CD248可能真正重要的并不是“所有纤维化”,而是缺血损伤环境下成纤维细胞与免疫细胞之间形成的特定通讯。

因此,后续研究CD248时不宜直接把它定义成普适性的抗纤维化靶点。更有价值的方向是追问:什么样的损伤背景才能诱导CD248高表达成纤维细胞形成,为什么缺血环境特别容易建立CD248-ACKR3-CD4⁺T细胞生态位,以及机械负荷型纤维化为什么不完全依赖这条轴。把这种模型差异继续拆开,反而能够真正找到缺血性心脏纤维化区别于其他心脏纤维化的关键机制。

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