人类婴儿时期肺泡发育类器官模型

撰文 | 十一月

人类肺部发育支气管树（Airway tree）初形成于受孕后5-16周，随后在16-26周最远端上皮管变窄靠近毛细血管，开始分化为肺泡上皮【1-2】。但是人类肺泡发育的具体的机制大部分还很不清楚。肺泡发育的变化与疾病易感性密切相关，然而潜在的细胞和分子机制又很难在人类身上进行直接研究。

近日，英国剑桥大学Emma L. Rawlins研究组在Cell Stem Cell上发表了文章Organoid modeling of human fetal lung alveolar development reveals mechanisms of cell fate patterning and neonatal respiratory disease，利用人类胎儿肺中一种肺泡命运上皮祖细胞自生长建立了组织类器官，从而可以模拟细胞谱系确定的关键机制。

首先，作者们通过单细胞RNA-seq对人类胎儿对肺部远端区域进行了研究，共鉴定出包括尖端细胞（Tip）、茎细胞（Stalk）、气道祖细胞、AT1和AT2细胞在内的11个上皮细胞群。该单细胞聚类可以按照发育阶段分为两个不同的区域：受孕5-11周的早中期阶段以及受孕15-22周晚期阶段。沿着细胞聚类图的远端到近端轴，早期和中期的尖端细胞通过转录连接到茎细胞，其次是气道祖细胞。而晚期尖端细胞、茎细胞和气道祖细胞以及AT1和AT2细胞密切相关，表明晚期尖端细胞获得了肺泡分化能力。

图1 人类胎儿肺部远端区域不同细胞群

通过细胞基因的表达分析，作者们发现CD44和CD36的双表达标志着受孕后15-21周期间肺部尖端上皮细胞群体，该群体共表达分布尖端祖细胞和肺泡标志物。随后作者们进行了流式细胞分选，发现CD36在受孕后13-15周之间稳定表达，先于形态学上肺泡分化。

为了确定受孕后17-21周肺部远端尖端CD44+CD3+细胞的分化命运潜能，作者们进行类器官培养，发现可以形成两种形态不同的类器官，分别是囊状以及折叠状类器官（图2）。囊状类器官表达尖端组细胞的报告基因，折叠状类器官表达祖细胞以及富集AT2细胞的标记。因此，作者们将囊状类器官与折叠状类器官分别称为LINNEG以及LINPOS类器官。

图2 体外培养肺类器官

作者们对所培养的类器官进行了转录组分析，发现LINPOS类器官能够概括肺泡以及晚期发育阶段肺部尖端祖细胞的关键性分子特征。另外，作者们通过体外的实验证明了晚期尖端上皮可以作为肺多能性干细胞发挥作用。体外培养尖端祖细胞能够分化形成AT2型肺泡细胞。进一步地，通过加入不同分子配体抑制剂，作者们确定Wnt和FGF信号通路协调控制晚期阶段尖端上皮细胞的命运。

随后为了鉴定对于细胞分化的关键转录因子，作者们分析了LINPOS类器官中染色质可及性，发现NKX2.1以及TFAP2C等转录因子基序可及性很高，且这些转录因子都被高度转录。通过构建NKX2.1过表达以及敲低类器官，作者们发现NKX2.1是尖端上皮类器官中肺泡分化的主要驱动力。另外，通过过表达同源异型结构域缺乏的NKX2.1，证明DNA结合能力对于NKX2.1促进AT2肺泡细胞分化非常关键。由于NKX2.1的差异结合能够协调肺泡的成熟，使得作者们能够检测人类遗传变体对于肺泡分化的不同影响，从而模拟肺部疾病的病理性表现。

图3 工作模型

总的来说，作者们在人类胎儿肺部发现了一种肺泡命运决定上皮祖细胞，可以在体外自组织成为类器官，模拟肺部细胞的命运决定的关键进程。此外，作者们发现对于肺泡发育非常关键的转录因子NKX2.1，该转录因子的差异结合能够协调肺泡的成熟，从而成为模拟人类肺部疾病的良好模型。因此，该类器官系统概括了人类胎儿肺干细胞生物学的关键方面，能够进行分子遗传操作确定人类发育和疾病的细胞和分子调控机制。

https://doi.org/10.1016/j.stem.2022.11.013

制版人：十一

参考文献

1. Burri, P.H. (1984). Fetal and postnatal development of the lung.Annu. Rev. Physiol.46, 617–628. https://doi.org/10.1146/annurev.ph.46.030184.003153.

2. Nikolic, M.Z., Sun, D., and Rawlins, E.L. (2018). Human lung development: recent progress and new challenges.Development145, dev163485. https://doi.org/10.1242/dev.163485