Использование новой технологии, single cell RNA-sequencing (scRNA-seq), выявило гетерогенность популяций легочных клеток. Используя эту новую технологию, две группы недавно установили новый тип клеток в эпителии воздушных путей.^{1, 2}. Эти редкие, ранее не охарактеризованные клетки, названые легочными ionocytes, по-видимому, играют роль в физиологии на поверхности воздушных путей и выступают в качестве потенциальных игроков в патогенезе CF.

CF, наиболее распространенное генетическое заболевание легких, оно затрагивает приблизительно 70 000 индивидов во всем мире. Это моногенное, рецессивное нарушение, вызываемое мутациями в гене cystic fibrosis transmembrane regulator (CFTR) . CFTR кодирует анионовый канал, участвующий в гидратации и pH секретов воздушных путей. Недостаточность или дефектность CFTR приводит к возникновению аномально липкого и кислого апикального поверхностного слоя, предрасположенного к бактериальным инфекциям и приводящее к пожизненной циклической инфекции и воспалению, приводящими в конечном итоге к болезни легких [3]. Др. органы, экспрессирующие CFTR, включают кишечник, экзокринную часть поджелудочной железы, древо желчных протоков, синусы и vas deferens. Среди генетических болезней CF является показателем ('poster child') прогресса в основных научных исследованиях, демонстрирующих эффективное, нацеленное на мутации лечение для многих пациентов. С момента открытия исследователи сконцентрировались на структуре, функции и распределении белка CFTR. Поскольку наиболее противоречивыми оказались данные относительно свойств клеток легких, экспрессирующих CFTR ^4-6, постепенно ученые пришли к мнению, что экспрессия CFTR локализуется, хотя и на очень низких уровнях во многих типах клеток, включая частые клетки с многочисленными ресничками в бронхах и бронхиолах воздушных путей^{4, 7}; поэтому превалировала догма, что легочная CF болезнь начинается в этих клетках с дополнительным регионализованным вкладом возможно CFTR+ клеток ацинусов подслизистых желез или клеток протоков желез в воздушных путях ^4-6. Хотя также наблюдались редкие 'CFTR hot' клетки в воздушных путях, но их качественные особенности и функциональный вклад в нормальную физиологию легких или болезнь CF оставались неопределенными^{4, 7}.

Человеческие бронхиальные эпителиальные клетки (HBECs), преимущественно представлены базальными клетками воздушных путей, которые могут дифференцироваться в культуре разделом между воздушной и жидкостной средой (air-liquid interface (ALI)) , формируя псевдо-стратифицированный эпителий, который гистологически и функционально сходен с эпителием воздушных путей [8]. ALI культуры HBECs рассматриваются как платформа золотого стандарта для измерения функции CFTR и широко используются, исходя из предположения, что клетки со множественными ресничками и являются преимущественным источником CFTR.

Путем профилирования экспрессии генов первичных мышиных эпителиальных клеток трахей группы Plasschaert et al. [1] и Montoro et al. [2], идентифицировали небольшую, отличающуюся по транскрипции, неведомую популяцию клеток среди ожидаетмых типов клеток воздушных путей^{1, 2}. Эти редкие клетки экспрессируют транскрипционный фактор Foxi1 и гены, кодирующие субъединицы протон-секретирующей V-ATPase; найденые клетки напоминают примитивный тип клеток, описанный в коже личинок рыбок данио и Xenopus: ионоциты. Лёгочные ионоциты редкие, составляющие приблизительно 1% от эпителиальных клеток воздушных путей. Обе группу пришли к заключению, что легочные ионоциты происходят из базальных клеток. Экспрессия Foxi1 возникает повторно в базальных клетках после повреждений воздушных путей [1]. Montoro et al. использовали мечение клонов базальных клеток одновременно с секвенированием одиночных клеток (pulse-seq), чтобы оценить дифференцирующееся потомство базальных клеток и тоже пришли к заключению, что легочные ионоциты происходят из базальных клеток. Интересно, что легочные ионоциты экспрессируют CFTR на достоверно более высоком уровне, чем клетки со множественными ресничками. Поэтому было предположено, что эти вновь распознанные клетки могут быть основными игроками в легочной CF болезни.

Plasschaert et al. также идентифицировали легочные ионоциты в клетках человека. Клетки FOXI1+ были идентифицированы в культивируемых HBECs и в воздушных путях людей [1]. Эти клетки были сходным образом обогащены мРНК CFTR , как и в трахеях мышей они обнаруживались с низкой частотой. Чтобы решить основной вопрос относительно вклада ионоцитов в противовес клеткам со множественными ресничками в активность CFTR, Plasschaert et al. сравнивали культуры HBEC, обогащенные ионоцитами с культурами, обогащенными клетками со множественными ресничками при стандартных Ussing chamber измерениях тока в цепи короткого замыкания (short-circuit currents). В соответствии с их высокими уровнями мРНК CFTR, количества ионоцитов коррелировали с функцией CFTR.

Находка нового типа клеток, играющих жизненно важную роль в болезни CF удивительна. Подобный прорыв подчеркивает силу РНК секвенирования отдельных клеток для выявления новых клеточных состояний, траекторий и ролей. Вновь открытые легочные ионоциты действительно самые редкие, не имеющие ресничек клетки, экспрессирующие высокие уровни CFTR, которые были описаны в ранних исследованиях по локализации CFTR^{4, 7}? Сходство этих клеток с теми клетками, что являются chloride-проводящими клетками в коже амфибий был отмечено ещё в 1994; , однако, эти клетки считались слишком редкими, чтобы служить важным источником транспорта жидкости и ионов в воздушных путях и отвечать за CF. Это предположение необходимо перепроверить. Как эти редкие легочные ионоциты регулируют физиологию крупных поверхностных областей? Какого типа клетки являются главными игроками в функциональной активности CFTR in vivo? Могут ли это осуществлять немногие (ionocytes), многие тощие (multiciliated cells), или др. регионализованные клетки внутри подслизистых желез воздушных путей (Figure 1)? Принимая во внимание ограничения HBEC и ALI моделей, в частности снижение активности CFTR при пери-прививках, данные на только что выделенных эпителиальных клетках воздушных путей человека могли бы помочь лучше охарактеризовать эндогенные ионоциты по сравнению с др типами клеток воздушных путей [9]. Информация о частоте, расположении, источнике происхождения и функции ионоцитов в нормальных и CF воздушных путях человека, особенно в небольших воздушных путях, необходима и она без сомнения появится. Прежде, чем сделать заключение, что ионоциты является главным типом клеток, отвечающим за CF легочную болезнь, понадобятся многие исследования [10]. Мышиные модели CF не воспроизводят болезни малых воздушных путей, обнаруживаемых у людей. Роль ионоцитов у более представительных животных моделей CF легочной болезни, таких как хорьки и свиньи, поможет установить важность этих клеток. В самом деле, культивируемые базальные клетки хорьков содержат Foxi1+ ионоциты ( Montoro et al.), но их идентификация in vivo у модельных хорьков пока не осуществлена. Поскольку присутствие редких ионоцитов в эпителии воздушных путей многих видов млекопитающих пока не установлено, то преждевременно отказываться от данных, полученных ранее, подтверждающих важность экспрессии CFTR в более распространенных эпителиальных клетках воздушных путей со значительно более низкими уровнями экспрессии^{4, 7}.



Figure 1. Schematic Representation of Evolving Concepts of CFTR Expression in the Airway Epithelium. (A) Existing paradigm. The airway epithelium is composed of several cell types including multi-ciliated, secretory and basal cells. Airway surface layer hydration and acidity are regulated by multiple cell types including frequent multi-ciliated cells that express low levels of apically localized CFTR protein (red dots) in the surface epithelium and submucosal gland ducts as well as cells within the gland acinus. A rare, subset of poorly defined non-ciliated cells that express high levels of CFTR are also present. (B) Modified model including newly published claims: FOXI1 ionocytes (green nucleus, yellow cytoplasm) express higher levels of CFTR than other airway cell types and are located in the surface epithelium and submucosal gland. Abbreviation: CFTR, cystic fbrosis transmembrane regulator.

Итак, открытие легочных ионоцитов ставит важный вопрос относительно роль этих клеток в физиологии воздушных путей человека и в CF. Если центральная роль этих клеток будет подтверждена, то это станет основой дальнейших исследований CF. Новые терапевтические подходы, такие как стратегии по увеличению количества ионоцитов в воздушных путях CF пациентов смогут улучшить их реакцию на доступные модуляторы CFTR. Наконец, будущие подходы, включая редактирование генов и базирующуюся на клетках терапию с потенциалом лечения CF смогут использовать ионоциты.