eLIFE：“人工肺模型”为研究肺部疾病铺路
近日，美国科研人员通过人工诱导人类胚胎干细胞在体外建立了一个人类肺部“类器官”模型，并验证了该3D微型肺模型与真实人类肺部结构的相似性，表明了其在今后研究中的巨大潜力。这项重要的研究突破于近期在线发表在eLife上。
“我们所建立的人工肺模型能够很好地模拟人类肺部细胞生长的真实环境与复杂性。”本文的通讯作者，密歇根大学细胞与发育生物学助理教授Jason Spence说。长久以来，在平板上以单层细胞形式培养，一直是动物细胞体外培养的模式，而这种模式往往与真实的细胞体内生长情况差距甚大，因而科研人员将目光转向在体外重新建立一个“类器官”系统来模拟真实情况。“在传统细胞生物学中，人们所研究的都是细胞在二维的环境下的表现，这与细胞真实的生存状态，三维环境完全不同，”文章的第一作者Briana Dye介绍，“类器官”系统的建立，使得研究细胞在体内的三维环境中的表型成为了可能，进而使得器官发育、疾病发生发展过程的研究更加符合真实情况。在之前的一系列研究中，人们已经能够建立人类胃、肠、脑及肝脏类器官模型。而在这项研究当中通过胚胎干细胞诱导的人类肺部体外模型的建立，是对类器官细胞培养技术的进一步完善。
为了建立该肺类器官模型，研究团队先通过诱导干细胞建立了一个前体组织——内胚层。内胚层存在于早期胚胎，主要形成肺、肝和其他一些内脏。通过基因工程技术以及药物处理的方法，研究人员激活了内胚层细胞与肺部发育相关的重要通路(如WNT等)的相关基因，并抑制了与内胚层前肠形成相关的通路(如BMP/TGFβ，FGF等)以防止肠组织的生成。最终，研究人员成功在体外培养体系中建立了肺部的类器官模型，研究结果显示，该模型在体外维持了超过100天，并且形成了结构良好的类气管上皮结构，该结构包含了基底细胞、纤毛细胞以及少量的棒状细胞。此外，这种类气管上皮结构还常常能被含有平滑肌肌动蛋白(SMA)的间质组织所围绕。为了证明该人肺类器官模型与在真实胚胎发育过程中由多种祖细胞发育形成的肺组织具有的相似性，该研究团队还通过RNA测序方法对该类细胞模型的全转录组进行分析，并与人类胎儿以及成人肺，未分化的人类胚胎干细胞以及定型内胚层细胞的转录组进行对比。通过一系列的分析表明，该模型的转录组与人类胎儿肺有着更加显著的相似性。
“由于我们的模型缺少成熟肺部组织中的形态结构如细支气管等，使得利用其对成熟肺部组织的研究的受到限制，”Dye说，“但是我们认为，人肺类器官模型可以成为研究人类肺部发育、成熟和相关疾病的理想模型” 。
《医学科学报》 (第12期 第9版 国际期刊), 百拇医药