1、肺類(lèi)器官的應(yīng)用

肺類(lèi)器官再現(xiàn)了人類(lèi)氣道的特征，例如黏膜分泌、纖毛運(yùn)動(dòng)和再生。利用這種生物學(xué)相關(guān)性，肺類(lèi)器官可用于研究肺損傷的修復(fù)/再生機(jī)制以及肺病的表型變化，也可用于毒性評(píng)估或藥物測(cè)試。

肺類(lèi)器官結(jié)構(gòu)是中空的，內(nèi)部空腔，因此容易透光，可以用3D 生物分子和共聚焦成像方法定量分析細(xì)胞內(nèi)容物、細(xì)胞存活評(píng)估和特定標(biāo)記物的細(xì)胞分選。

由肺細(xì)胞產(chǎn)生的類(lèi)器官也可用于研究早期肺癌以及識(shí)別和測(cè)試潛在的治療方法。肺癌類(lèi)器官模型可以在保留親本腫瘤基因組變化的基礎(chǔ)上，模擬腫瘤復(fù)雜的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生物學(xué)行為。因此，肺癌類(lèi)器官被廣泛應(yīng)用于信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、生物標(biāo)志物研究以及肺癌藥物篩選和療效預(yù)測(cè)等方面。近年來(lái)，肺癌類(lèi)器官模型已成為腫瘤研究領(lǐng)域重要的臨床前模型。

圖1. 肺類(lèi)器官的建立

2、肺類(lèi)器官研究現(xiàn)狀

1993 年，Puchelle 及其同事在膠原蛋白中描述了成人氣道上皮的第一個(gè)自組織 3D 結(jié)構(gòu) ^[1]。 Rossant 及其同事首先描述了從人類(lèi) iPSC 中生成肺類(lèi)器官的過(guò)程，其中包括使用 CFTR 突變 iPS 細(xì)胞作為模擬囊性纖維化 (CF) 的概念驗(yàn)證 ^[2]。Dye 等人采用改良后的方法來(lái)產(chǎn)生具有基底細(xì)胞、纖毛細(xì)胞和棒狀細(xì)胞的成熟肺類(lèi)器官 ^[3]。

2017年，Hans 和他的同事使用hiPSCs方法獲得肺類(lèi)器官，這是首批與人類(lèi)肺組織類(lèi)似且包含分支氣道和肺泡結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)物 ^[4]。研究人員用呼吸道合胞病毒 (RSV) 感染了肺部類(lèi)器官，導(dǎo)致小氣道阻塞和細(xì)支氣管炎，這與在人體肺部環(huán)境觀察到的情況一致。譚等人使用成人原代支氣管上皮細(xì)胞、肺成纖維細(xì)胞和肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞的 3D 組合成功研發(fā)出氣道類(lèi)器官 ^[5]。

2021年，美國(guó)德克薩斯大學(xué)泰勒醫(yī)學(xué)中心的Ji Honglong教授在靶向治療領(lǐng)域的知名期刊《Signal Transduction and Targeted Therapy》上發(fā)表了題為《Fibrinolytic niche is required for alveolar type 2 cell-mediated alveologenesis via a uPA-A6-CD44+-ENaC signal cascade》的文章。這項(xiàng)研究是國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)尿激酶uPA通過(guò)A6-CD44+-ENaC信號(hào)軸調(diào)控肺上皮干細(xì)胞再生的新機(jī)制^[6]。通過(guò)肺泡類(lèi)器官的體外培養(yǎng)，首次證明纖溶系統(tǒng)對(duì)ENaC的調(diào)節(jié)作用，揭示纖溶系統(tǒng)可能作為肺泡干細(xì)胞修復(fù)再生的新干預(yù)靶點(diǎn)。

類(lèi)器官在 SARS-CoV-2 的研究中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，COVID-19 正在全球范圍內(nèi)升級(jí)。為了獲得與患者感染 SARS-CoV-2 后的情況非常相似的結(jié)果，研究人員將肺類(lèi)器官與其他類(lèi)器官混合 ^[7]。肺部類(lèi)器官的 SARS-CoV-2 感染高度概括了現(xiàn)實(shí)世界患者的肺部感染，并顯示了不同細(xì)胞類(lèi)型在受感染的肺部發(fā)揮的特殊功能。肺和其他類(lèi)器官，以及多組織器官芯片平臺(tái)，可用于識(shí)別 SARS-CoV-2 感染后器官的病理過(guò)程，篩選候選藥物以及開(kāi)發(fā)和評(píng)估疫苗安全性和有效性 ^[8-10]。

3、肺類(lèi)器官培養(yǎng)細(xì)胞因子

• Activin A
• bFGF
• FGF-4
• Noggin

4、肺類(lèi)疾病研究靶點(diǎn)

• ACE
• ACE2
• Axin2
• BMP4
• CD24
• CD31
• CD45
• CD49f
• CD104
• CLDN4
• CFTR
• EGF
• EpCAM
• FGF2
• FGF4
• FGF7
• FGF10
• FOXJ1
• GRHL2
• Grhl2
• Gli2
• Gli3
• HPS1
• HER2
• IL-6
• IL-13
• Krt5
• Krt8
• Krt14
• KRAS
• Lgr6
• MUC5B
• Muc5AC
• Noggin
• Notch2
• Ngfr
• PDGFRα
• R-spondin1
• SHH
• Scgb1a1
• Scgb3a2
• Splunc1
• STAT3
• SOX2
• SOX9
• SFTPA
• SFTPB
• SFTPC
• TNFα
• Trp63
• telomerase (TERT)
• ZNF750

參考文獻(xiàn)：

[1] Benali R, Tournier JM, et al. (1993) Tubule formation by human surface respiratory epithelial cells cultured in a three-dimensional collagen lattice [J]. Am J Physiol 264: L183–L192.

[2] Wong AP, Bear CE, et al. (2012) Directed differentiation of human pluripotent stem cells into mature airway epithelia expressing functional CFTR protein [J]. Nat Biotechnol 30: 876–882.

[3] Dye BR, Hill DR, et al. (2015) In vitro generation of human pluripotent stem cell derived lung organoids [J]. Elife 4: e05098.

[4] Chen, YW., Huang, S., de Carvalho, A. et al. A three-dimensional model of human lung development and disease from pluripotent stem cells [J]. Nat Cell Biol 19, 542–549 (2017).

[5] Tan Q, Choi KM, Sicard D, Tschumperlin DJ. (2017) Human airway organoid engineering as a step toward lung regeneration and disease modeling [J]. Biomaterials 113: 118–132.

[6] Gibran Ali, Mo Zhang, et al. Fibrinolytic niche is required for alveolar type 2 cell-mediated alveologenesis via a uPA-A6-CD44+-ENaC signal cascade [J]. Signal Transduction and Targeted Therapy 6, Article number: 97 (2021).

[7] Han Y, Duan X, et al. Identification of SARS-CoV-2 inhibitors using lung and colonic organoids [J]. Nature. 2020;589(7841):270–75.

[8] Zhao B, Ni C, Gao R, et al. Recapitulation of SARS-CoV-2 infection and cholangiocyte damage with human liver ductal organoids [J]. Protein Cell. 2020;11(10):771–5.

[9] Meyer-Berg H, Zhou Yang L, et al. Identification of aav serotypes for lung gene therapy in human embryonic stem cell-derived lung organoids [J]. Stem Cell Res Ther. 2020;11(1):448.

[10] Katsura H, Sontake V, et al. Human lung stem cell-based alveolospheres provide insights into SARS-CoV-2-mediated interferon responses and pneumocyte dysfunction [J]. Cell Stem Cell. 2020;27(6):890–904.