文獻速遞：瑞士科學家用人類包皮成纖維細胞培育出肺類器官
來自伯爾尼大學的研究人員使用AVATAR Odyssey系統(tǒng)從誘導多能干細胞中獲得了復雜的多細胞肺類器官！此項研究成果由Vedat Burak Ozan和Thomas Geiser團隊在Stem Cell Reviews and Reports中發(fā)表。
誘導多能干細胞（iPSCs）可以用來做疾病建模，并促進藥物篩選，近年來已逐漸成為生物醫(yī)學領(lǐng)域很有前景的體外研究工具。研究人員已經(jīng)可以將人iPSCs分化為肺細胞和三維肺球體或類器官。肺是一個多細胞的復雜器官，在微環(huán)境的交互影響下發(fā)育。
在本研究中，研究人員在可控的AVATAR微環(huán)境（cmO組，氧氣和壓力）中利用iPSCs制造出具備與肺泡結(jié)構(gòu)復雜性相似的多細胞肺類器官。并通過SFTPC、PDPN和KRT5染色，證明存在2型和1型肺泡上皮細胞以及基底細胞。此外，cmO組中基因和蛋白表達量提高。蛋白質(zhì)組學通路分析顯示，與正常培養(yǎng)組相比，cmO組中肺發(fā)育特異性通路上調(diào)。
此項研究中，研究人員通過使用可控的微環(huán)境，建立了一個由iPSCs衍生的多細胞肺類器官，可將其作為一種新的細胞模型，用于研究肺部健康和肺泡相關(guān)疾病。
圖1. 實驗流程圖
iPSCs分別在標準培養(yǎng)箱（37℃，5% CO2）和AVATAR系統(tǒng)中分化為成熟肺類器官。
圖2. 兩種培養(yǎng)條件下，iPSCs所有分化階段的明場圖像
圖3. 細胞表面標記物和細胞內(nèi)標記物分析。通過流式細胞術(shù)分析所有階段的細胞表面標記物和細胞內(nèi)標記物的表達，數(shù)據(jù)以表達所測標記的活細胞的百分比表示，并對標準培養(yǎng)箱中與AVATAR系統(tǒng)中生長的類器官之間進行比較。
圖4. 對成熟的類器官進行染色
誘導多能干細胞（iPSCs）可以用來做疾病建模，并促進藥物篩選，近年來已逐漸成為生物醫(yī)學領(lǐng)域很有前景的體外研究工具。研究人員已經(jīng)可以將人iPSCs分化為肺細胞和三維肺球體或類器官。肺是一個多細胞的復雜器官，在微環(huán)境的交互影響下發(fā)育。
在本研究中，研究人員在可控的AVATAR微環(huán)境（cmO組，氧氣和壓力）中利用iPSCs制造出具備與肺泡結(jié)構(gòu)復雜性相似的多細胞肺類器官。并通過SFTPC、PDPN和KRT5染色，證明存在2型和1型肺泡上皮細胞以及基底細胞。此外，cmO組中基因和蛋白表達量提高。蛋白質(zhì)組學通路分析顯示，與正常培養(yǎng)組相比，cmO組中肺發(fā)育特異性通路上調(diào)。
此項研究中，研究人員通過使用可控的微環(huán)境，建立了一個由iPSCs衍生的多細胞肺類器官，可將其作為一種新的細胞模型，用于研究肺部健康和肺泡相關(guān)疾病。
圖1. 實驗流程圖
圖2. 兩種培養(yǎng)條件下，iPSCs所有分化階段的明場圖像
圖4. 對成熟的類器官進行染色
AVATAR系統(tǒng)中的類器官顯示出更明確的分支和細胞分布，類似于遠端肺的結(jié)構(gòu)，并且細胞分布的組織方式與遠端肺中觀察到的類似（圖4a）。上皮細胞標記物SFTPC、HT1-56、HT2-280、E-cadherin、PDPN（圖4b-f）的免疫染色證實了與遠端肺相似的細胞分布。值得注意的是，還對AVATAR系統(tǒng)中的KRT 5進行了染色（圖4c），顯示類器官中存在基底細胞。
圖5. 標準培養(yǎng)箱和AVATAR系統(tǒng)中培養(yǎng)的類器官的電子顯微鏡圖像。標準培養(yǎng)箱中的類器官表現(xiàn)為微絨毛和疏松的板層小體，AVATAR系統(tǒng)中的類器官表現(xiàn)為微絨毛和結(jié)構(gòu)良好的板層小體。
圖6. (a)柱狀圖顯示了基于絕對log2(倍數(shù)變化)> 0.5過濾的蛋白質(zhì)數(shù)量，并描繪了下調(diào)和上調(diào)的蛋白質(zhì)；(b)基于p值< 0.05過濾的蛋白質(zhì)數(shù)量的柱狀圖；(c)基于絕對log2(倍數(shù)變化) > 0.5和p值< 0.05過濾的蛋白質(zhì)的柱狀圖，根據(jù)顯著性和調(diào)節(jié)分類；(d)顯示PCA分析中各主成分解釋的方差比例的Scree圖；(e)蛋白質(zhì)組學分析結(jié)果的二維PCA圖，對比AVATAR系統(tǒng)中受控微環(huán)境（cmO）培養(yǎng)的類器官（綠色）和標準培養(yǎng)箱中培養(yǎng)的類器官（橙色），展示了數(shù)據(jù)中最顯著變化的Dim1和Dim2的主成分分布；(f)具有層次聚類的熱圖，顯示多個樣本中蛋白質(zhì)的表達模式，不同顏色鍵表示從低（藍色）到高（紅色）的表達水平。
圖7. 來自AVATAR系統(tǒng)和正常培養(yǎng)箱的類器官培養(yǎng)物的差異蛋白質(zhì)表達情況。(a)顯示所分析蛋白質(zhì)的log2倍變化與p值的負對數(shù)的火山圖，AVATAR系統(tǒng)中顯著上調(diào)的蛋白位于右側(cè)，顯著下調(diào)的蛋白位于左側(cè)，顯著程度以y軸上的高度表示；(b)頂部差異表達蛋白的箱線圖，紅框表示在AVATAR系統(tǒng)中培養(yǎng)的類器官的蛋白表達水平，藍框表示標準培養(yǎng)箱中培養(yǎng)的類器官的蛋白表達水平，每個框中的中心線代表中位表達水平，框邊界表示四分位距（interquartile range， IQR）。
圖8. 類器官培養(yǎng)物蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)的通路和功能分析。(a)利用Ingenuity Pathway analysis （IPA）工具生成的通路分析，展示了在不同條件下培養(yǎng)的類器官的蛋白質(zhì)組學數(shù)據(jù)中富集的生物通路。通路通過-log（p-value）進行排序，閾值設(shè)置為p < 0.05，表示通路受培養(yǎng)條件影響的可能性。條形圖的長度表示顯著性水平，藍色條形圖表示預(yù)測的激活，橙色條形圖表示預(yù)測的通路抑制；(b)強調(diào)與差異蛋白表達相關(guān)的疾病和生物學功能的功能分析。函數(shù)按-log（p-value）排序，閾值設(shè)為p < 0.05。條形的長度代表了組合的重要性；(c)聚焦于“呼吸道形態(tài)”功能的網(wǎng)絡(luò)分析，在數(shù)據(jù)集中識別關(guān)鍵基因，根據(jù)其表達變化的方向預(yù)測影響該功能。AVATAR系統(tǒng)與標準培養(yǎng)箱相比，紅色節(jié)點代表表達上調(diào)的基因，綠色節(jié)點代表表達下調(diào)的基因。
綜上所述，研究人員成功地利用iPSCs制造出了肺類器官，并且在壓力和氧控制的微環(huán)境中觀察到肺類器官的發(fā)育和成熟，標志著肺類器官研究的一個重大飛躍。
本研究不僅強調(diào)了微環(huán)境因素在肺類器官形成中的作用，而且將這些受控的體外模型定位為研究肺發(fā)育和疾病的有效工具。可控微環(huán)境作為一個關(guān)鍵決定因素出現(xiàn)，為藥物篩選、疾病建模和解開肺生理的復雜性提供了一個真實的平臺，此項研究為其奠定了堅實的基礎(chǔ)，肯定了微環(huán)境控制對體外肺類器官模型保真度的深遠影響。
綜上所述，研究人員成功地利用iPSCs制造出了肺類器官，并且在壓力和氧控制的微環(huán)境中觀察到肺類器官的發(fā)育和成熟，標志著肺類器官研究的一個重大飛躍。
本研究不僅強調(diào)了微環(huán)境因素在肺類器官形成中的作用，而且將這些受控的體外模型定位為研究肺發(fā)育和疾病的有效工具。可控微環(huán)境作為一個關(guān)鍵決定因素出現(xiàn)，為藥物篩選、疾病建模和解開肺生理的復雜性提供了一個真實的平臺，此項研究為其奠定了堅實的基礎(chǔ)，肯定了微環(huán)境控制對體外肺類器官模型保真度的深遠影響。
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