詳解人類氣道中的平滑肌細胞觸發哮喘機制

像COVID-19這樣的新型疾病正在推動科學家們真正努力、真正快速地開展研究工作，以便為患者找到治療和治愈方法。但也有許多其他類型的存在已久的疾病，這些疾病已經成為我們生活的一部分，以至于我們很容易忘記我們對它們及其原因的了解有多少。哮喘就是這些疾病之一，它影響著全世界數以百萬計的人。

科學家們認為，哮喘是由人類氣道內不健康細胞的行為導致的。然而，如今，在一項新的研究中，來自美國東北大學的研究人員發現，這些細胞引發哮喘發作的方式不僅是它們之間相互交流的結果，而且也是氣道細胞與由重要蛋白和其他分子組成的稱為細胞外基質的網狀結構相互作用的結果，其中細胞外基質并不是細胞的一部分，而是作為細胞的結構和生化支持起作用。相關研究結果近期發表在Science Advances期刊上，論文標題為“Intercellular communication controls agonist-induced calcium oscillations independently of gap junctions in smooth muscle cells”。

這些新的研究結果表明，即使是相互接觸的健康人類氣道細胞在與不健康的細胞外基質接觸的情況下對刺激的反應方式也與哮喘患者的不健康細胞相似。

論文通訊作者、東北大學生物工程助理教授Harikrishnan Parameswaran說，“幾十年來，我們已經知道細胞外基質可發生病理變化。但是，它在哮喘患者中的功能后果并不清楚。”

在哮喘發作期間，人體氣道中的細胞會對不同的物質產生反應，并發生收縮或者說硬化。這種腫脹會影響氣道向肺部供氣的能力。

鑒于當這些細胞接受了很小劑量的引起這種生理反應的物質時，這種反應就會發生，所以傳統的治療哮喘的研究主要集中在將它視作為這些特定細胞的疾病上。

然而，這些新的研究結果表明，哮喘并不完全是這些細胞的疾病。相反，Parameswaran說，它可能是健康的氣道細胞發現自己在細胞外環境不好的情況下的結果。

這是因為隨著這種疾病的發展，細胞外物質的特性以及對這些氣道細胞的影響也會發生變化。Parameswaran說，“這就為你提供了一種機制：這種細胞外基質重塑實際上會影響氣道細胞的收縮。”

對哮喘患者的更好治療方法的研究通常集中在這些氣道細胞的病理學上而未將細胞外機制考慮在內。科學家們一般都把注意力集中在位于氣道壁上的平滑肌細胞的集體行為上。這種類型的細胞位于我們內臟的各個部位，包括腸道、子宮和其他中空器官，協調不同類型的不自主拉伸和擠壓。

我們的許多細胞利用它們內部的小開口，即所謂的間隙連接（gap junction），進行細胞內交流。這些開口的工作原理就像高速公路系統的隧道。通過這些間隙連接，細胞之間可以相互交談，并發送各種類型的信號分子來觸發生理機制，從而協調簡單和復雜的身體功能。

眾所周知，細胞廣泛使用鈣波（calcium wave）通過間隙連接相互溝通。但即使在去除這些間隙連接后，Parameswaran團隊也沒有觀察到鈣沿著肌肉傳播的方式發生變化。

在細胞外層，細胞在一起時與分開時對刺激的反應不同。而它們的機械交流反應就像它們接受了很強劑量的組胺，盡管它們并沒有接受。

這一觀察結果告訴Parameswaran團隊，氣道細胞并不依賴間隙連接。相反，他說，細胞外基質的硬化似乎將它們連接起來，并產生了引發硬化反應的集體行動。

Parameswaran說，他認為哮喘之所以持續存在，是因為科學家們沒有廣泛地針對性研究細胞外基質內的分子變化。

他說，這就是為什么在人類氣道的特定情況下，這一發現意味著科學家們可能需要開始開發能夠靶向氣道中細胞外基質硬化的療法來治療哮喘。

Parameswaran說，“目前還沒有治療哮喘的方法。鑒于我們有具體的證據表明細胞外環境中的病理性硬化足以導致過度收縮，因此如今的當務之急是觀察我們是否可以將靶向細胞外環境硬化作為一種療法。”

這些發現符合生物物理學中一個活躍的研究領域，該領域探索細胞如何不僅僅是利用間隙連接來觸發體內的集體行動。論文共同作者、東北大學生物學教授Erin Cram說，科學家們以前無法發現它們是如何在氣道中協調集體行為的。

Cram說，“這些細胞作為一個集體的反應與作為個體的反應不同。這有點像一群對刺激做出不同反應的暴徒，而不是四五個分散在一塊場地上的個體。”

從長遠來看，揭開這樣的細胞間交流方式也可能幫助其他科學家了解氣道和其他器官中的平滑肌如何與身體的其余部分在生物化學上發生相互作用。Cram實驗室研究秀麗隱桿線蟲的生殖系統。秀麗隱桿線蟲是一種微型線蟲，它的細胞的行為方式與人類平滑肌細胞相似。