实验室培养的迷你肺:加速呼吸疾病研究

　　研究人员开发出一种尖端技术，利用微芯片从人类胚胎干细胞(hESCs)中培养小型化的“克隆”人类肺，旨在更好地了解COVID-19等肺部感染。干细胞自我组织成复杂的“微肺”，复制了人类肺组织的复杂性。这允许对肺组织感染进行前所未有的高通量分析，消除使用不同患者样本时通常发生的可变因素。该平台还可用于研究其他疾病和筛选新药，并为迅速应对未来的大流行做好准备。

　　

科学家已经开发出一种细胞培养技术，可以在干细胞的微芯片上创建“克隆”微型人体肺部，为研究肺部感染提供了一种新方法。 这项技术揭示了肺泡细胞对SARS-CoV-2并表明阻断某种信号通路可以降低感染易感性。该平台在研究其他疾病、筛选药物和快速应对未来的流行病方面也有潜在的应用。

当我们开车去一个新的目的地时，我们经常会按照指示关掉音响。原本的音乐突然听起来像噪音，干扰了我们的注意力。

我们对COVID等传染病如何影响人类肺部的理解同样受到噪音的困扰。来自患者肺组织的数据因人而异，这模糊了SARS-CoV-2究竟如何首先感染肺细胞的基本机制。这也是一种事后分析——就好像我们在试图绘制病毒带回三个州的路线一样。

从感染的第一刻起，通过研究基因相同的组织来降低变异的噪音，可能会照亮病原体的路径。哪些细胞被感染，何时被感染?感染的程度是什么?不同的细胞类型有什么不同?它在不同的条件下是如何变化的?

如果有可能同时追踪数千个感染病例呢?它可能会彻底改变我们对感染和用于对抗感染的药物治疗的理解。

这是能够在微芯片上培育微型器官的新先进技术的希望。洛克菲勒的Ali Brivanlou和Charles M. Rice的实验室合作改进了一种细胞培养技术平台，该平台可以从人类胚胎干细胞(hESCs)中培养出基因相同的肺芽(胚胎结构，形成我们的呼吸器官)。他们的研究结果最近发表在《Stem Cell Reports》杂志上。       

当将hESCs放置在微芯片阵列上，并小心地加入定制的信号分子鸡尾酒时，hESCs会迅速组织成具有完整组织复杂性的“微肺”。这些芽可以培养数千个，允许前所未有的高通量分析肺组织感染，没有所有嘈杂的变量。

其结果是无限制、快速和可扩展地获得具有人类肺部发育关键标志的肺组织，并可用于跟踪肺部感染和确定候选治疗方法。

“这些肺基本上是克隆的，”Ali Brivanlou说。“它们有完全相同的DNA特征。这样我们就不用担心每个病人的反应不同。量化使我们能够保持遗传信息不变，并测量关键变量——病毒。”

建立一个更好的迷你肺

胚胎干细胞是人体的原始细胞。它们可以无限分裂产生更多的干细胞或分化成任何其他组织。Brivanlou的合成生物学实验室长期以来一直在探索它们的潜力。

在COVID大流行期间，Brivanlou与洛克菲勒的同事Charles M. Rice合作:他的实验室拥有培养肺芽的微芯片技术，赖斯的实验室拥有必要的生物安全许可，可以用SARS-CoV-2感染它们并研究结果。

2021年，第一作者、Brivanlou实验室的干细胞生物学家Edwin Rosado-Olivieri和莱斯大学病毒学和传染病实验室的博士后Brandon Razooky开始诱导细胞组织成更专门的形式。干细胞不是自己组织起来的。他们需要一个密闭的空间——比如一个微芯片井——以及激发变革的刺激。刺激来自诱导干细胞分化为特定细胞类型的四种主要信号通路。

大约两周后，该小组的肺细胞形成了相同的芽，其分子特征与胎儿肺发育早期阶段的芽非常吻合，包括气道和肺泡的形成，这些结构已知在许多患有严重COVID-19的人中受损。

找出罪魁祸首

从那以后，他们利用这个平台了解了SARS-CoV-2是如何感染不同的肺细胞的。

肺泡是位于肺分支末端的小囊，负责每次呼吸时的气体交换:吸入氧气，呼出二氧化碳。通过大量研究克隆肺泡细胞，研究人员发现肺泡比气道细胞更容易受到SARS-CoV-2感染，气道细胞是器官的守护者，是抵御所有吸入威胁的第一道防线。如果病毒通过了它们，肺泡就成了活靶子。

他们还发现了一种成功的信号蛋白组合，这种组合是角质细胞生长因子(KGF)和骨形态发生蛋白4 (BMP4)的混合物，可以制造出最健壮的一批肺芽。两者都有助于细胞分化和生长。

有趣的是，BMP通路有一个缺点。当他们将感染的肺芽与COVID患者的死后组织进行比较时，他们发现BMP信号通路在两者中都被诱导，并使组织更容易受到感染。阻断BMP通路使细胞不那么脆弱。

除了COVID

研究人员指出，该平台还可用于研究流感、呼吸道合胞病毒、肺部疾病和肺癌等疾病的机制。此外，它还可以用来筛选治疗它们的新药。

肺并不是唯一的器官。Rosado-Olivieri说:“我们工作的更广泛的重点是了解细胞发育，以制造出我们可以用来模拟疾病和寻找治疗机制的合成器官和组织。”肝脏、肾脏和胰腺都可能是下一个目标。

Brivanlou补充说:“该平台还将使我们能够以更快和更精确的速度应对下一次大流行。我们可以迅速利用这个平台，使病毒可见，并比我们对COVID更快地开发治疗方法。它可用于筛选药物、化合物、疫苗、单克隆抗体，更直接地用于人体组织。这项技术已经准备好应对未来可能袭击我们的各种威胁。”

参考文献:

“Organotypic human lung bud microarrays identify BMP-dependent SARS-CoV-2 infection in lung cells” by E.A. Rosado-Olivieri, B. Razooky, J. Le Pen, R. De Santis, D. Barrows, Z. Sabry, H.-H. Hoffmann, J. Park, T.S. Carroll, J.T. Poirier, C.M. Rice and A.H. Brivanlou, 20 April 2023, Stem Cell Reports.