3.1　肺的结构与功能

正常人肺组织中大约有40种细胞类型，包括上皮细胞、内皮细胞、免疫细胞和间质细胞等。这些细胞在不同部位发挥各自作用，共同维持机体正常的生命活动。肺中主要细胞类型和分布如图3-1所示。

近端的传导气道（conducting airways）覆盖的假复层上皮，由基底细胞（basal cells）、分泌细胞（secretory cells，包括club细胞和杯状细胞）、纤毛细胞（ciliated cells）、神经内分泌细胞（neuroendocrine cells）、tuft细胞、离子细胞（ionocyte）等组成［1，2］。其中，基底细胞是气道上皮的干细胞，负责产生近端气道上皮的所有细胞类型［3］。人的基底细胞从气管一直延伸至终末细支气管，而小鼠的基底细胞仅存在于气管和主支气管上。小鼠的远端气道是单层上皮，主要由分泌细胞和纤毛细胞组成，其中分泌细胞club细胞可以自我更新，也可以产生纤毛细胞［4］。此外，神经内分泌细胞可以分化产生club细胞和纤毛细胞［5］。

肺泡上皮包括Ⅰ型肺泡上皮细胞（alveolar typeⅠcells，AT1）和Ⅱ型肺泡上皮细胞（alveolar typeⅡcells，AT2）。AT1细胞扁平并且比较薄，覆盖肺泡表面积约95%，执行气体交换功能；AT2细胞呈立方体，分泌肺表面活性蛋白，维持表面张力作用，并且作为肺泡干细胞，进行自我更新和分化成Ⅰ型肺泡上皮细胞［6］。除了气体交换作用，呼吸道上皮还通过细胞间紧密连接形成屏障，有效阻挡和清除随着空气进入呼吸道的颗粒物、化学品、病原体等。

图3-1　气道和肺泡的结构和细胞组成示意图(https://www.daowen.com)

上皮细胞与其他细胞类型共同协调，发挥气体交换和防御功能。内皮细胞可以分为动脉内皮细胞、静脉内皮细胞、淋巴管内皮细胞、普通毛细血管内皮细胞（general capillary cells）、毛细血管空气细胞（capillary aerocytes）等，其中普通毛细血管内皮细胞和毛细血管空气细胞对于进行气体交换至关重要。毛细血管空气细胞是肺部特有的一类血管细胞［1，7］，主要用于气体交换和白细胞的运输；普通毛细血管内皮细胞用于调节血管舒缩张力，并在毛细血管稳态和损伤修复中发挥干/祖细胞作用。2020年的人肺单细胞转录组测序发现两类毛细血管中间态细胞（capillary intermediates 1、2），是普通毛细血管内皮细胞和毛细血管空气细胞的中间形态细胞。此外，支气管血管细胞（bronchial vessel cells）等对肺部的营养维持、清除吸入的杂质、炎症细胞的募集等也至关重要［8］。

肺脏中存在各种类型的间质细胞，包括气道平滑肌细胞（airway smooth muscle cells）、血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells）、纤维肌细胞（fibromyocytes）、间皮细胞（mesothelial cells）、周细胞（pericytes）以及各类成纤维细胞，如肌成纤维细胞（myofibroblasts）、肺泡成纤维细胞（alveolar fibroblasts）、脂成纤维细胞（lipofibroblasts）、外膜成纤维细胞（adventitial fibroblasts）等［1］。这些间质细胞为肺上皮细胞提供其生长发育所需的蛋白因子［9，10］，因此在肺部的发育、稳态维持和损伤修复中都发挥重要作用，并且与多种肺疾病的发生发展都有关，比如，哮喘发生时气道平滑肌细胞高度收缩导致气道狭窄［11］；成纤维细胞与肺纤维化的发生发展有着密切的联系［12，13］。

肺部的免疫细胞也有众多类型，包括巨噬细胞、粒细胞、NK细胞（natural killer cells）、B细胞、T细胞等，这些免疫细胞参与稳态维持、抵抗外来有害物质的侵袭和肺再生修复的过程。比如，在小鼠肺切除后，单核细胞和巨噬细胞参与促进AT2细胞增殖［14］；而T细胞在抵御病原体、维持肺组织稳态、监测肿瘤发生发展等方面发挥着重要的作用，此外，还可以促进病理性炎症，导致哮喘等疾病的发生［15］。总的来说，肺组织内各种类型的细胞相互作用、共同协调是维持肺部稳态的必要基础。

目前，肺脏研究大多以小鼠为模型，但是小鼠与人体的肺脏在结构、细胞组成和细胞可塑性方面均存在差别（图3-1）［2，16］。在结构上，人的左肺由两片肺叶组成，右肺由三片肺叶组成，而小鼠左肺由一片大肺叶组成，右肺由四片肺叶组成；成人肺中终末细支气管分支成呼吸性细支气管，随后分支成由肺泡排列的多个肺泡管，而小鼠没有呼吸性细支气管，小鼠肺中终末细支气管经由细支气管-肺泡管连接处直接过渡到肺泡管。在细胞组成上，人从气管到终末细支气管都是假复层上皮，而小鼠仅气管和主支气管为假复层上皮。近年来在小鼠远端气道中发现多种新的干/祖细胞群体，包括细支气管-肺泡管连接处的细支气管肺泡干细胞（bronchiolar alveolar stem cells，BASCs）［17］、谱系阴性上皮祖细胞（lineage-negative epithelial progenitors，LNEPs）［18］、H2-K1高表达的club细胞［19］等。这些细胞在人肺中是否存在尚不清楚。人肺的呼吸性细支气管中也发现了新的细胞类型，包括终末细支气管-呼吸性细支气管中的分泌细胞（terminal respiratory bronchioles secretory cells，TRB-SC）［20］，兼具肺泡（SFTPC）和气道标志基因（SCGB3A2）的AT0细胞（alveolartype 0 cells）［20］，以及具有向AT2细胞分化能力的呼吸性细支气管分泌细胞（respiratory airway secretory cells，RAS cells）［21］。在细胞分化命运上，人和小鼠的Ⅱ型肺泡上皮细胞具有不同的可塑性，比如有研究发现人AT2细胞具有分化成基底细胞的能力［22］，而该能力在小鼠AT2细胞中没有被发现［18］。

以上一系列的差别决定了人肺组织研究的必要性，但是有限的供体使得研究人的肺组织困难重重。类器官凭借其与来源组织的相似度及拟合度，在模拟发育再生、疾病建模、药物筛选等方面都展现出了巨大的潜力。接下来的章节将详细介绍肺类器官的构建、鉴定与应用。