三维模型对应肺纤维化的不同问题

德国吉森大学(Justus-Liebig University Giessen)团队在 Cells 综述特发性肺纤维化的三维体外模型。文章把肺成纤维细胞、组织切片、类器官及肺芯片放在各自能够保留的结构和过程下讨论,重点是它们怎样支持机制研究与候选药物比较。

纤维化涉及上皮受损、成纤维细胞活化和组织变硬。单独研究某个细胞信号,需要可控基质;观察药物能否改变已形成的病变,则需要保留相应组织状态。不同模型的实验指标和药物结果因此各有具体归属。

水凝胶、肺切片、类器官和肺芯片对应的细胞来源与肺纤维化研究用途。

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水凝胶、肺切片、类器官和肺芯片对应的细胞来源与肺纤维化研究用途。(Ana Ivonne Vazquez-Armendariz et al. / Cells, 2022, Figure 1;CC BY 4.0)

水凝胶把基质硬度作为实验变量

水凝胶可以调节硬度,让人肺成纤维细胞在较软或较硬的环境中生长。综述所列实验显示,较硬基质会影响肌成纤维细胞分化、迁移及胶原相关信号,便于把力学条件与具体分子反应联系起来。

原代人细胞在软胶或球状结构中,前列腺素合成相关酶表达高于在硬塑料表面培养时的水平。其他实验把基质硬度与转化生长因子 β(transforming growth factor beta,TGF-β)结合,研究胶原表达及降解酶变化,提示培养环境本身会改变药物所作用的细胞状态。

α6 整合素通路是一个具体例子:硬基质增强其表达,而针对相关转录调控或药理通路的干预可以减少这一变化。水凝胶因而适合拆解成纤维细胞的机械信号,但所讨论的单细胞模型并未完整保留肺上皮与间质的关系。

肺切片保留基质及多种细胞的药物反应

精密切割肺组织切片(precision-cut lung slices,PCLS)保留组织结构。患者肺组织多来自较晚病程;健康或无明显纤维化组织则可以接受促纤维化刺激,用于观察早期基质沉积和上皮功能变化。

综述转述的尼达尼布实验,涉及纤维化相关基质信号以及肺表面活性蛋白 C 的恢复;吡非尼酮在相应比较中没有产生相同的上皮标志变化。模型使药物对间质和肺泡上皮的作用可以分别检测。

二甲双胍的研究则观察人肺切片中的胶原减少、含脂细胞增加和组织结构变化。作者据此讨论肌成纤维细胞向脂肪成纤维细胞表型转变的可能性,并结合其他模型中的信号结果解释药物作用。

其他实验检验了细胞衰老、整合素以及蛋白磷酸酶相关通路。各药物的实测终点不同,基质蛋白减少和上皮标志增加,分别反映间质与上皮层面的变化。

类器官把异常生长和细胞互作带入筛选

类器官可以组合上皮和间质细胞,研究两类细胞怎样共同影响生长。综述列举的肺球状组织来自患者原代细胞,含多种细胞和基质;成纤维细胞向结构外延伸的面积,被用于量化侵袭相关表型。

促纤维化刺激增大了这一侵袭范围,尼达尼布或吡非尼酮则降低患者来源结构的侵袭面积。论文将这种实验作为已有药物可调节组织表型的示例,并讨论其与患者疾病背景的联系。

另一类培养由诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)或胎源间质细胞参与形成。TGF-β 处理后,组织变得更小且致密,并增加胶原和肌成纤维细胞标志。这些模型提供了可观察的异常细胞互作和基质反应。

芯片增加流动和力学条件,病变状态仍需确认

文章讨论的 Open-Top 肺泡芯片结合上皮、间质、血管层及可伸展膜,并可向上皮侧提供空气或液体。机械伸展与成纤维细胞共同影响肺泡Ⅱ型细胞的表面活性蛋白表达,展示多种微环境因素可以在同一系统中改变组织反应。

这项芯片示例尚未证明能够重现肺纤维化。综述把它列为复杂肺模型的发展方向;现阶段用于抗纤维化实验时,仍需要与已经实测的病变表型和药物终点相对应。

综述按研究问题比较不同模型:硬度相关信号在可控基质中分析,已有基质和组织状态在肺切片中观察,细胞互作及异常结构在类器官中测量。药物结果对应各自的模型条件和实际检测指标。

来源与延伸阅读

  1. 3D In Vitro Models: Novel Insights into Idiopathic Pulmonary Fibrosis Pathophysiology and Drug Screening. Cells. 2022. doi:10.3390/cells11091526 ↗