乳腺具有独特的出生后发育特点，并且其发育处于高度动态变化的进程中。乳腺干细胞正常的自我更新和分化是维持乳腺出生后高度动态发育的基础，该过程受到微环境中细胞和分子信号的精确时空调控。巨噬细胞是乳腺微环境中分布最广泛的免疫细胞，在乳腺发育和乳腺干细胞命运决定的调控中发挥着不可替代的作用，但巨噬细胞调控乳腺干细胞命运和乳腺上皮稳态的分子机制仍不甚清楚。

2023年5月2日，武汉大学医学研究院、免疫与代谢前沿科学中心、武汉大学中南医院的蔡车国教授团队在自然出版集团旗下期刊npj Regenerative Medicine在线发表了题为 “Macrophages maintain mammary stem cell activity and mammary homeostasis via TNF-α-PI3K-Cdk1/Cyclin B1 axis” 的研究论文。该研究利用小鼠模型和类器官模型，通过单细胞测序以及体内外功能研究，考察了巨噬细胞调控乳腺干细胞命运和乳腺上皮稳态的作用，并对其相关分子机制进行了探索。

作者首先构建了小鼠巨噬细胞清除的模型，并结合单细胞测序、流式细胞分析以及乳腺移植重建实验，发现清除巨噬细胞以后，乳腺干细胞的增殖和自我更新能力下降，但向ER和PR表达的管腔细胞（luminal）分化能力增加。随后，为了更直接地考察巨噬细胞对乳腺干细胞的调控作用，作者运用3D类器官培养技术，在体外构建了巨噬细胞与乳腺干细胞共培养的体系。在该体系中，作者发现与巨噬细胞共培养能使乳腺干细胞在体外形成形似乳腺导管的、具有出芽结构的乳腺类器官（图1）。有意思的是，该体系下形成的乳腺类器官具备良好的激素应答能力，在催乳素的刺激下展示出分泌乳汁的功能；同时在移植实验中，乳腺类器官表现出更强的乳腺再生能力。该研究结果说明巨噬细胞不仅能够促进乳腺干细胞的增殖，亦可以维持其有序的自我更新和分化潜能。作者进一步解析了巨噬细胞调控乳腺干细胞活性的分子机制。通过转录组测序和生物信息学分析，结合体内外功能验证，作者证实巨噬细胞通过分泌TNF-α调控乳腺干细胞的功能，使用TNF-α细胞因子处理乳腺干细胞能够重现与巨噬细胞共培养产生的效应。最后，作者通过整合分析转录组数据和功能研究，揭示了巨噬细胞分泌TNF-α并激活细胞内的PI3K-Cdk1/Cyclin B1信号从而调控乳腺干细胞活性的分子机制。

图1. 巨噬细胞共培养形成的乳腺类器官免疫荧光染色代表性图片

左边为confocal z-stack成像后动态效果图，右边为其中的第二层。

综上所述，利用建立的体外共培养体系，该研究发现了巨噬细胞在调控乳腺干细胞命运决定和乳腺上皮稳态中的作用，阐明了巨噬细胞通过TNF-α-PI3K-Cdk1/Cyclin B1信号轴调控乳腺干细胞命运决定的细胞内分子机制（图2）。为了解微环境中免疫细胞对乳腺干细胞的调控作用提供了新的视角，也为在体外构建具备免疫微环境的类器官模型提供了实验基础和理论依据。

图2. 巨噬细胞通过TNF-α-PI3K维持乳腺干细胞自我更新和乳腺上皮稳态

武汉大学医学研究院、免疫与代谢前沿科学中心、武汉大学中南医院甲乳外科博士研究生周煜为本文第一作者，蔡车国教授为本文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研发计划以及中央高校基本科研业务费专项资金的支持；同时在研究过程中，得到了武汉大学医学研究院仪器设备共享中心和实验动物中心的大力支持；在此一并致谢！

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41536-023-00296-1