Oamenii de știință descoperă cum se vindecă singuri plămânii: rolul cheie al celulelor alveolare

Alveolele pulmonare, unitățile fundamentale ale schimbului de gaze, sunt căptușite de două tipuri majore de celule epiteliale: celulele alveolare de tip 1 (AT1), cu morfologie plată, care asigură difuzia oxigenului și dioxidului de carbon, și celulele alveolare de tip 2 (AT2), cu formă cuboidală, care secretă surfactant pentru prevenirea colapsului alveolar. Disfuncția acestor celule se află la baza multor boli respiratorii severe, inclusiv displazia bronhopulmonară, boala pulmonară obstructivă cronică, fibroza pulmonară, adenocarcinomul pulmonar și infecțiile virale respiratorii precum SARS și COVID-19.
Un studiu recent publicat în Nature a elucidat un mecanism esențial prin care celulele AT2 își stabilesc și își mențin identitatea, evidențiind o fereastră temporară de plasticitate celulară în dezvoltarea alveolelor. Cercetarea publicată în Nature Communications a identificat rolul critic al factorului de transcripție C/EBPα și al regulatorului DLK1 în controlul diferențierii între celulele AT1 și AT2, precum și un circuit molecular de tip feed-forward incoerent care guvernează echilibrul între regenerare și apărare tisulară.

În timpul formării alveolelor (alveologeneză), celulele AT1 și AT2 se diferențiază dintr-un progenitor distal comun. La șoarece, procesul debutează în jurul zilei embrionare 16,5 (E16.5). După maturare, celulele AT2 îndeplinesc funcții multiple: acționează ca celule stem facultative după leziuni, participă la semnalizarea imună prin interferon și pot prezenta antigeni în cadrul răspunsului imun pulmonar. Cu toate acestea, studiile recente au arătat că activarea interferonului inhibă repararea epitelială post-infecție, sugerând existența unor programe celulare antagonice între regenerare și apărare.

În acest context, cercetătorii au investigat cum și când celulele AT2 își pierd plasticitatea și ce factori determină tranziția către stări stabile, definind un model temporal și molecular al diferențierii alveolare.

Despre studiu

Analizele de transcriptomică unicelulară (scRNAseq) efectuate asupra epiteliului distal pulmonar de șoarece au permis identificarea a trei stări distincte: progenitorii distali (DP), AT2 nascente (nAT2) și AT2 mature (mAT2). Markerii moleculari RELMα (pentru nAT2) și CD74 (pentru mAT2) au fost validați prin imunocolorare și citometrie în flux, demonstrând o tranziție graduală de la nAT2 la mAT2 în primele zile postnatale.

Studiul a stabilit că celulele nAT2 apar pentru prima dată la E15.5, localizate între segmentele distale ale ramurilor bronșice, și formează joncțiuni interlumenale – conexiuni între ramuri epiteliale distincte – care par a fi esențiale pentru „coaserea” lumenelor alveolare. Acest proces, denumit de autori „joncțiune interluminală”, ar putea explica modul în care alveolele se conectează funcțional și morfologic în timpul dezvoltării.

Rezultate

1. Fereastra de plasticitate a celulelor AT2

Analizele de pseudotimp și viteză transcripțională au arătat că celulele nAT2 păstrează o plasticitate de soartă (fate plasticity) până în prima săptămână postnatală, fiind capabile să se transforme în celule AT1. După această perioadă, plasticitatea este pierdută, marcând tranziția spre o stare matură, stabilă. Acest interval temporal definește o „fereastră de plasticitate” în care diferențierea alveolară poate fi reprogramată.

2. Rolul factorului de transcripție C/EBPα

Prin experimente genetice la șoarece, cercetătorii au arătat că C/EBPα nu este necesar pentru selecția inițială a soartei AT2, ci pentru menținerea acesteia. Pierderea genei Cebpa în perioada perinatală a determinat o conversie spontană a celulelor AT2 în AT1, confirmând că C/EBPα acționează ca supresor al plasticității. De asemenea, în absența sa, celulele AT2 au recăpătat caracteristici moleculare ale stadiului nAT2, indicând o reversie parțială către o stare progenitoare.

3. Mecanismul non-autonom mediat de DLK1 și Notch

Analizele transcriptomice au identificat DLK1 drept principal mediator al conversiei AT2–AT1. DLK1, o proteină transmembranară care reglează semnalizarea Notch, a fost puternic activată după pierderea C/EBPα. Această activare a avut loc într-un mod non-autonom – prin semnalizare intercelulară – determinând conversia altor celule AT2 în AT1. Astfel, C/EBPα suprimă plasticitatea prin reprimarea directă a DLK1 și, implicit, a cascadei Notch.

4. Circuitul epigenetic PRC2–C/EBPα–DLK1

Autorii au identificat un circuit molecular de tip feed-forward incoerent (I2-FFL), în care complexul epigenetic PRC2 (prin enzima EZH2) și C/EBPα reglează expresia pulsatorie a DLK1 în timpul dezvoltării alveolare. În stadiile embrionare timpurii (E12.5–E15.5), PRC2 suprimă DLK1, iar ulterior, odată cu scăderea activității PRC2 și creșterea expresiei C/EBPα, se generează un „puls DLK1” care modulează proporția de celule AT1 și AT2. Acest mecanism coordonează tranziția celulară într-un model de „sare și piper”, asigurând alternanța spațială a tipurilor celulare alveolare.

5. Reglarea regenerării și a stării defensive

În plămânul adult, supresia C/EBPα este necesară pentru regenerarea epitelială după leziune. Studiul a arătat că acest proces este mediat de CHOP (proteină omoloagă C/EBP), un membru inhibitor al familiei C/EBP, indus de stresul reticulului endoplasmatic. Activarea CHOP favorizează conversia AT2–AT1 și regenerarea alveolară.

În paralel, pierderea C/EBPα a activat un nou program transcripțional defensiv, AT2_def, caracterizat prin gene asociate răspunsului antiviral și semnalizării interferonice. Acest program este mutual exclusiv față de starea regenerativă DATP (progenitor tranzitoriu asociat cu daunele), sugerând o balanță celulară între reparație și apărare. Stimularea cu interferon-γ a blocat diferențierea către AT1, confirmând antagonismul dintre cele două stări.

Implicații și concluzii

Prin descrierea detaliată a tranzițiilor celulelor alveolare, studiul propune un nou model dinamic al diferențierii și regenerării pulmonare. Acesta include:

• O fereastră de plasticitate între stadiile embrionare și primele zile postnatale, în care celulele AT2 pot adopta alternativ destinații AT1 sau defensive.
• Un circuit epigenetic PRC2–C/EBPα–DLK1 care reglează temporal și spațial echilibrul dintre diferențiere și stabilitate celulară.
• Un mecanism adaptativ post-lezional, în care supresia C/EBPα permite regenerarea, iar semnalizarea interferonului promovează o stare imun-protectivă alternativă.

Aceste descoperiri redefineasc înțelegerea plasticității celulare alveolare și oferă perspective terapeutice pentru bolile pulmonare degenerative, în care reactivarea temporară a circuitului PRC2–C/EBPα ar putea restabili capacitatea de regenerare. De asemenea, ele sugerează o nouă paradigmă a interacțiunii dintre reparație și imunitate în epiteliul pulmonar, cu implicații majore pentru tratamentele viitoare ale leziunilor pulmonare acute și cronice.