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利用人诱导性多能干细胞产生肺细胞 研究肺部疾病

发布时间:2017-05-18

就像所有器官那样,人肺部刚开始时是作为未分化的干细胞团块存在的。但是在几个月后,这些细胞形成有序的结构。它们聚集在一起,一些细胞形成肺部气道,其他的细胞形成肺泡。肺泡是我们的人体交换氧气和二氧化碳的地方。在理想的情形下,最终的结果是形成两个健康的会呼吸的肺部。

多年来,研究囊性纤维化等肺部疾病的科学家们试图自始至终详细地追踪这些疾病的致病过程,以便理解肺部如何在正常情形下形成,从而可能有助解释是什么发生差错。如今,来自美国波士顿大学再生医学中心(Center for Regenerative Medicine, CReM)的研究人员宣布了他们取得两项重大的发现而有助进一步加深我们对这种过程的理解:培养和纯化由人干细胞产生的最早肺祖细胞(一种未成熟的肺细胞)的能力;让这些干细胞分化为微小的“支气管球体(bronchosphere)”的能力,这种支气管球体可用来构建囊性纤维化的疾病模型。他们希望这些结果将会导致人们开发出新的“个人化疗法”来治疗肺部疾病。第一项研究结果于2017年5月2日在线发表在Journal of Clinical Investigation期刊上,论文标题为“Prospective isolation of NKX2-1–expressing human lung progenitors derived from pluripotent stem cells”。第二项研究结果于2017年3月30日在线发表在Cell Stem Cell期刊上,论文标题为“Efficient Derivation of Functional Human Airway Epithelium from Pluripotent Stem Cells via Temporal Regulation of Wnt Signaling”。

作为这两篇论文的通信作者,CReM主任Darrell Kotton说,“在利用人干细胞产生未成熟的肺细胞当中,对这些细胞进行分选和纯化是非常困难的和重要的。这是试图预测一个人如何可能对现存的疗法或新药物作出反应的第一步。”Kotton补充道,“对很多肺部疾病而言,除了肺部移植之外没有其他的疗法。开发新的工具来理解这些疾病是至关重要的。”

CReM研究人员利用人诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)开展研究。他们获得人体中的成体细胞(如血细胞或皮肤细胞),将它们 “重编程”为iPSC。iPSC能够产生任何一种器官中的细胞。近年来,几个科学家小组利用人iPSC培育出肺细胞,但是他们的配方并不是完美的:所产生的肺细胞与许多肝细胞、肠道细胞和其他的组织细胞一起生长。

波士顿大学医学院医科助理教授Finn Hawkins说,“这是一个大的问题。如果你想要利用这些细胞研究肺部,你需要除去其他的细胞。”Hawkins和Philipp Kramer是第一篇论文的共同第一作者。首先,Hawkins需要一种方法来鉴定这些肺细胞。Kotton和其他的CReM研究人员之前开展的研究已证实小鼠干细胞在分化为肺细胞的“命运决定”时刻表达Nkx2-1基因。Hawkins说,“这是表明肺细胞身份的第一个表达的基因。”Kotton构建出一个报告基因,使得这些小鼠干细胞首次表达Nkx2-1时会发出绿色荧光。Hawkins将这个相同的报告基因导入到人细胞中。如今,他能够轻松地观察到和纯化发出绿色荧光的肺细胞。

利用一台流式细胞仪,Hawkins和他的同事们从利用iPSC产生的细胞混合物中分离出发出绿色荧光的肺细胞,随后在一种基质中培养它们。Hawkins说,结果就是形成微小的发出绿色荧光的球体,该球体长大约0.5毫米,“由纯的早期肺细胞群体组成”。Hawkins团队将这种微小的球体称为“类器官(organoids)”,这种类器官含有关键的肺细胞类型。这种类器官允许科学家们详细地研究人肺部发育中的关键时刻。Hawkins说,“我们已发现在小鼠等其他物种中控制肺部发育的很多基因也在这些人肺细胞中表达。”

这种类器官也有其他的用途:科学家们能够将它们培养为更加成熟的对肺部功能至关重要的特化细胞类型,如气道细胞或肺泡细胞。Hawkins说,“如今,我们实际上能够开始研究肺部疾病。”

在第二项研究中,论文共同作者、CReM博士生Katherine McCauley对囊性纤维化感兴趣。囊性纤维化是一种由单个基因CFTR发生突变导致的肺部疾病。这种突变导致病人的肺部产生厚厚的粘稠的粘液,从而导致感染和炎症,最终导致肺功能衰竭。对很多病人而言,没有治愈这种疾病的方法。

研究这种疾病最早阶段的McCauley想要利用Hawkins纯化出的肺细胞开展下一步研究,和找出它们如何变成气道细胞。通过很多辛苦的实验,她着重关注Wnt信号通路。已知这种信号通路在小鼠肺部发育中发挥着重要的作用。通过关闭这个信号通路,她指导这些未成熟的肺细胞变成气道细胞。随后,她将它们培养成微小的“支气管球体”。 

正如Hawkins培养出的类器官那样,这些支气管球体并不像支气管那样发挥功能:它们仅是一群特定细胞。但是,它们的特性使得它们非常有用。McCauley说,“我们想要观察我们是否能够利用这些支气管球体研究气道疾病。这是重大目标之一:对来自病人的这些肺细胞进行基因改造,随后利用它们研究这些病人所患的疾病。”

作为一项概念验证,McCauley从一名囊性纤维化病人体内获得两种细胞系:一种细胞系携带着导致这种疾病的CFTR突变,但已被校正;另一种细胞系也携带这种突变,但未被校正。她将这些细胞系培养成支气管球体。为了观察她的方法是否起作用,她开展测试,并且使用应当导致由正常的功能性细胞组成的支气管球体充满液体的药物。它确实起作用了:这些得到“校正的”支气管球体对这种药物作出反应,开始变得肿胀起来,而未得到校正的支气管球体并不会作出反应。McCauley说,“精彩的地方在于我们利用高通量显微镜对这一点进行测量,随后我们计算了支气管球体面积随着时间的变化。因此,我们如今能够定量地评价CFTR功能。”

McCauley说,下一步就是改善这种测试方法,扩大这种测试规模,并且为其他的肺部疾病开发类似的测试方法。她说,“最终目标就是获得一名病人的细胞,随后利用这些细胞筛选不同的药物组合。我们有一种不错的想法就是我们能够获得一名病人的细胞,测试上百种或上千种药物,真正地理解这名病人在接受治疗之前如何作出反应。”

(信息来源:生物谷)