上皮与成纤维细胞共同构成肺泡类器官

肺纤维化的发生涉及肺泡上皮损伤和周围成纤维细胞反应。日本京都大学(Kyoto University)等团队在 Stem Cell Reports 报道一种共培养肺泡类器官,利用人源细胞研究两类细胞之间的相互作用及药物干预。

团队把人多能干细胞(human pluripotent stem cell,hPSC)分化得到的肺泡Ⅱ型细胞与人胎肺成纤维细胞一同放入 Matrigel。上皮细胞形成肺泡样结构,成纤维细胞与基质为其提供三维共培养环境。

该模型的细胞来源和损伤方式均由研究者设定。研究关注可控制的人源肺泡损伤与纤维化相关反应,模型建立没有采用特发性肺纤维化患者的组织活检。

博来霉素诱导上皮损伤及基质收缩

培养第 11–14 天,团队加入 3 μg/mL 博来霉素,随后移除药物继续观察。基质收缩在含肺泡上皮的共培养中更明显,成纤维细胞单独培养的反应较弱。

处理后,上皮细胞数量和比例下降,成纤维细胞数量没有同样改变。肺泡样结构变薄、直径增大,并出现 p21 和衰老相关 β-半乳糖苷酶等变化。配套检测还发现,部分炎症分泌相关基因及肺泡Ⅱ型向Ⅰ型转变过程中的中间状态标志升高。

团队对基质相关蛋白进行分析,在升高的蛋白中识别出多种细胞外基质组织相关成分。这些观察将细胞损伤、上皮状态和基质变化放在同一模型中比较。

筛选与同类抑制剂比较支持 ALK5 靶点

研究在博来霉素处理结束后给予候选化合物,于第 17 天分析类器官。初筛中,p38 抑制剂 SB203580 与激活素受体样激酶 5(activin receptor-like kinase 5,ALK5)抑制剂 SB525334 均降低部分衰老分泌和异常分化标志,随后用结构不同的同类抑制剂检验结果。

ALK5 抑制剂的验证结果较一致。SB525334 减少 IL6、CXCL8、SERPINE1 等衰老相关分泌表型基因,以及 SFN、GDF15、MMP7 等中间状态标志。部分肺泡Ⅰ型细胞相关标志随处理增加,为上皮状态改变提供了补充观察。

这些变化没有伴随上皮细胞比例或类器官直径完全恢复。药物对表达状态和形态的作用被分别检测,结果集中在部分损伤相关表型的改善。

候选抑制剂筛选及 ALK5 抑制剂 SB525334 对肺泡类器官衰老与异常分化标志物的影响。

窄屏可横向滑动查看完整图表。

候选抑制剂筛选及 ALK5 抑制剂 SB525334 对肺泡类器官衰老与异常分化标志物的影响。(Takahiro Suezawa et al. / Stem Cell Reports, 2021, Figure 5;CC BY 4.0)

整合素 αVβ6 干预补充了上皮侧的作用线索

团队进一步观察到,上皮细胞的整合素 αVβ6 表达增加。该整合素参与局部转化生长因子 β(transforming growth factor β,TGF-β)活化过程。研究采用 αVβ6 拮抗剂 GSK3008348,报告部分基质收缩及表达指标降低,为上皮侧干预提供了另一组比较。

在培养上清中,团队没有直接检出活化 TGF-β1。相应通路的判断结合了细胞表达、外加活化 TGF-β1 的比较和靶点干预结果,现有数据没有提供上清中持续可测的活化蛋白浓度。

ALK5 抑制还降低部分胶原及其合成相关蛋白,其他基质相关蛋白的变化则不完全一致。各类蛋白与形态指标分别反映药物的作用。

筛选结果来自上皮与成纤维细胞的短期共培养

本模型同时包含上皮与成纤维细胞,适合研究化学损伤后两者的相互作用及药物干预。上皮成熟程度、细胞组成与成人肺组织仍有差别,模型未加入免疫细胞及呼吸相关机械形变。

博来霉素可影响共培养中的多类细胞,药物评价窗口也较短。研究提供的是人源肺泡模型中的筛选结果与机制线索,直接比较的重点为基质收缩、上皮状态和相关分泌表型。

来源与延伸阅读

  1. Disease modeling of pulmonary fibrosis using human pluripotent stem cell-derived alveolar organoids. Stem Cell Reports. 2021. doi:10.1016/j.stemcr.2021.10.015 ↗