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文献解读 | iPS细胞来源的肺泡干细胞在类器官中的研究
科技服务 2017-03-02


文章来源:

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背景知识


在肺中,AT2(Alveolar epithelial type II)细胞能够产生肺表面活性剂,起到组织干细胞的功能,有助于肺泡的稳态。AT2细胞功能如果出现障碍,则会产生危及生命的肺部相关疾病,包括慢性阻塞性肺疾病、肺纤维化和肺癌等。尽管对这些疾病的机制和发现新药物的研究有很高的需求,但目前并没有很好的研究模型。

hiPSCs是AT2细胞的潜在来源。虽然已经报道了从多能干细胞(PSCs)逐步诱导AT2细胞的逐步诱导,但在维持AT2稳定扩增的步骤并没用得到很好的解决。在本研究中,作者对够从iPS进行高效诱导获得肺泡干细胞的方法进行了优化,并构了建能够长期扩增的肺泡类器官(alveolar organoids,AOs),为研究药物诱导的肺泡损伤在体外提供了一个新的药物毒理学平台。

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解读专栏

01 技术路线:从iPS细胞诱导成为SFTPC+细胞

前期已有文献报道,可进行从VAFE细胞(静脉前前肠内胚层)分化为AT2细胞,但分化效率十分低下。同时,先前的实验表明,在肺发育后期的远端细胞(distal tip)只分化为AT。因此作者提出假说,可对NKX2-1+的 VAFE细胞进行预处理,模拟远端细胞的微环境,从而提高AT2细胞分化的效率。在利用了各种生长因子和与肺发育有关的小分子进行尝试后,CHIR99021+FGF10+KGF+DAPT四因子组合能够很好地提高分化的效率。


02 分子层面验证分化状态:对进行预处理的祖细胞进行单细胞测序

为了更好地了解VAFE细胞的预处理情况,作者在CFKD处理前后分离CPM +祖细胞,一共对71例处理前、85例处理后的CMP+祖细胞和50例SFTPC+细胞进行了单细胞rna - seq及分析。结果表明,在大多数细胞中都表达了Progenitor标志物(CPM,nkx2 - 1和FOXA2),而AT2标记很少在CPMhi祖细胞中表达。对所有差异基因进行主成分分析(PCA)显示,CFKD处理后的CPMhi细胞(21天)聚集在了CPMhi细胞(第14天)和SFTPC + cells(第26天)之间,这表明CFKD对CPMhi细胞的预处理有利于向SFTPC +细胞分化。并且在SFTPC+差异表达的细胞中,发现了Wnt, MAPK and Hippo p等已报道与肺泡分化或肺分支形态发生相关通路和

ETV5and CEBPD等已知与AT2发育相关基因。从分子水平上表明了iPS细胞成功诱导成为了 SFTPC+细胞,并且与AT2细胞相似。


03 从iPS诱导获得的FD-SFTPC+细胞可在体外长期扩增

      同时,作者对获得的SFTPC+细胞长期扩增能力进行了验证。结果表明,细胞可以在体外进行不断培养,截至文章发表时已经传代培养超过了200d。并且,在相关标记物的鉴定和形态学鉴定上,后代的细胞仍然稳定保留了初期细胞的特点。



04 不依赖成纤维细胞(fibroblast-free,FF)的SFTPC+cells分化探索

作者还尝试了不依赖成纤维细胞,进行SFTPC+细胞分化的探索实验。通过加入不同小分子刺激,作者发现,同时加入CHIR99021(Wnt通路受体激动剂)和SB431542(TGF-β受体激酶的抑制剂)能够有效地将CPMhi progenitor细胞分化为SFTPC +细胞。


虽然FF-SFTPC+,FD-SFTPC+细胞都与AT2有着一致的表达模式,但在某些特定的标记物上还是有区别,提示不同的诱导方式还是对细胞的状态产生了一定的差异。



05 肺泡类器官作为毒理学模型,进行相关药物毒性评价

     Amiodarone胺碘酮是一种广泛使用的抗心律失常药物,因引起药物间质性肺炎而臭名昭著。

     GNE7915是LRRK2的小分子抑制剂,是家族性帕金森病的致病基因表达的激酶。作者利用构建的肺泡类器官,在分化4d的时候加入了相关药物分子,并在14d收集细胞,进行形态学及分子层面的分析。

结果表明,在药物处理后的AOS上的层状体显著地增大和增加,很好的模拟了体内AT2细胞对药物产生的特异性。而转录组分析结果发现Amiodarone特异的差异基因中富集了与伤口愈合,细胞因子分泌和IL- 6产生等相关的基因;而GNE7915特异的差异基因则与发育相关。

胺碘酮和GNE7915之间的这些差异可能部分解释了在体内胺碘酮引起肺损伤中更为严重的表型。表明作者构建的AOS能够作为一个毒理学模型,进行药物毒性的研究。


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研究结论及意义

Ø  建立了从hiPSCs分化为肺泡干细胞的高效方案:在前体细胞进行一步预处理。SFTPC +细胞的分化效率在所有被分析的细胞系中都有了显著改善。

Ø  首次报告了SFTPC +肺泡干细胞长期培养的方法,获得的肺泡类器官可适用于药物毒理学测试。

以上就是文章《long-termexpansion of alveolar stem cells derivedfromhuman iPS cells in organoids》的全部内容啦,若有疑问欢迎随时咨询!我们下期文献详解再见!