用同遗传背景对照检查肺泡细胞缺陷

ABCA3 是肺泡Ⅱ型上皮细胞内参与磷脂转运的蛋白,功能异常可影响肺表面活性物质。美国波士顿大学(Boston University)等团队从 2 名携带不同 ABCA3 纯合突变的患者获得细胞,建立人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)模型,再分化为肺泡Ⅱ型上皮细胞,研究疾病相关缺陷。

团队为每条患者细胞系建立同遗传背景的基因纠正对照。这种配对设计使比较主要围绕 ABCA3 状态展开,减少不同供者遗传背景的干扰。研究还在另一条正常背景的细胞中比较相同突变,检查这些表型能否在不同背景中出现。

患者细胞与纠正细胞都能产生肺泡上皮相关标志。分化第 43–44 天,SFTPC 报告信号和一组肺泡细胞标志基因没有显著差异,提示这两种突变在该阶段未明显影响肺泡上皮分化。

二维培养便于直接收集分泌物

常规三维肺泡球的顶端面朝向内部腔体,分泌物较难取样。团队将细胞改为二维单层,使顶端释放的材料进入可收集的培养上清。正常细胞在单层中仍保留肺泡相关表达,并能用荧光成像观察板层小体的活动。

板层小体是肺泡细胞储存和释放表面活性物质的胞内结构。加入促进分泌的刺激后,活细胞成像观察到小体与顶端细胞膜融合,脂质相关荧光随后出现在释放区域。这项实验先确认了模型具有可观察的分泌过程。

脂质分析显示,两类 ABCA3 突变细胞在基础状态和分泌刺激后,释放的磷脂酰胆碱及表面活性物质相关的二棕榈酰磷脂酰胆碱都低于各自纠正对照。两条纠正细胞的刺激反应幅度不同,但纠正后分泌增加的方向一致。

小体大小与蛋白位置提供不同信息

在正常遗传背景的比较中,E690K 和 W308R 蛋白仍可出现在细胞内囊泡中,但囊泡明显较小。平均直径分别为 0.72 μm 和 0.67 μm,正常参照为 1.53 μm;另一种严重转运缺陷突变 L101P 则主要表现为弥散的胞质定位。

直径分析每种基因型纳入 50 个囊泡,来自 8–10 个细胞。蛋白加工检测又发现,E690K 和 W308R 保留部分正常加工产物,L101P 缺少相应条带。蛋白能否到达囊泡、囊泡是否正常增大以及磷脂能否被有效释放,因而可以分别评价。

W308R 的囊泡定位与早先基于序列的转运预测不同。作者据此强调在相关人细胞中实际观察蛋白行为的价值,并提出小体大小可作为未来小分子筛选的指标。本文尚未将这一指标用于筛选候选治疗药物。

不同 ABCA3 状态下肺泡细胞的蛋白定位、板层小体大小和加工结果。

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不同 ABCA3 状态下肺泡细胞的蛋白定位、板层小体大小和加工结果。(来源:Yuliang L. Sun et al.,The Journal of Clinical Investigation,2024,Figure 3,CC BY 4.0)(Yuliang L. Sun et al. / The Journal of Clinical Investigation, 2024, Figure 3;CC BY 4.0)

炎症变化较一致,增殖变化具有突变差异

转录组比较发现,患者突变细胞及另一遗传背景的突变细胞都出现炎症相关通路增强,其中通过 NFκB 传递的信号变化较一致。研究进一步检测通路活性,确认两类患者突变细胞均高于各自纠正对照。

转录变化的范围随突变而不同。在患者细胞与各自纠正对照的比较中,E690K 检出 1,384 个差异表达基因,W308R 为 254 个。分析除炎症外,还涉及蛋白应激、脂质相关过程及细胞周期。两条细胞系共享部分变化,同时保留各自的分子特征。

细胞因子检测显示,W308R 细胞释放的 CX3CL1 和 MMP-10 增多,E690K 没有相同的分泌变化。增殖实验也并不完全一致:E690K 的 EdU 阳性比例为 32.83%,纠正对照为 41.73%;其克隆形成效率分别为 2.38% 和 6.97%。W308R 与纠正对照之间未见这两项指标的同样差异。

在 E690K 患者的肺组织中,电镜观察到小而致密的板层小体,与细胞模型的形态变化相符。

这些比较扩展了 ABCA3 模型的评价内容。除表面活性物质分泌外,细胞更新和炎症信号也可能影响肺泡上皮状态。作者尚未确定 NFκB 的上游激活机制,并讨论了脂质稳态及蛋白应激等可能解释。

为候选药物复核保留肺泡功能指标

作者提出,可以在较易扩展的细胞系中初筛,再用患者来源肺泡细胞检查命中物是否恢复相应功能。这个人细胞模型同时保留分泌量、板层小体形态及炎症变化,使候选干预的评价不局限于单个蛋白定位。

当前模型主要由肺泡上皮细胞组成,尚未纳入邻近免疫及间质细胞。它适合辨明上皮自身的变化;上皮与其他细胞相互作用对疾病的影响,仍是作者提出的后续研究内容。

来源与延伸阅读

  1. Human pluripotent stem cell modeling of alveolar type 2 cell dysfunction caused by ABCA3 mutations The Journal of Clinical Investigation. 2024. doi:10.1172/jci164274 ↗