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类器官新进展!Cell Stem Cell :科学家开发出带有免疫成分的结肠类器官,实现功能性驻留巨噬细胞共培养

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类器官作为一种具有独特优势的体外研究模型,在生物医学领域中越来越广泛地应用。大多数器官都有组织驻留的免疫细胞。人类类器官缺乏这些免疫细胞,这限制了它们在模拟许多正常和疾病过程中的效用。

为了解决上述问题,来自美国辛辛那提儿童医院的研究人员通过培养多能干细胞衍生的人结肠类器官(HCO)共同发育出多种免疫细胞群,包括造血内皮(HE)样细胞和红骨髓祖细胞,它们经历典型的分化步骤,从而产生功能性巨噬细胞。该研究题为“Development of functional resident macrophages in human pluripotent stem cell-derived colonic organoids and human fetal colon”,发表在《Cell Stem Cell》杂志。


来源:DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002

成人胃肠(GI)道中存在着不同的免疫细胞群,包括骨髓细胞和淋巴细胞。大多数肠道疾病,特别是炎症性肠病(IBD),都与免疫系统有关。以往的研究认为肠道的大多数免疫细胞,包括常驻巨噬细胞,都源自骨髓源性造血干细胞(HSC)。然而动物研究发现:许多器官含有一群组织驻留巨噬细胞,这些巨噬细胞在胚胎发育过程中独立于造血干细胞而产生。人类胎儿结肠内组织驻留巨噬细胞的胚胎发育的研究尚未报道。

尽管在从人类多能干细胞(hPSCs)衍生免疫细胞类型和类器官方面取得了单独的进展,但含有共同发育的组织驻留免疫细胞的人类胃肠道类器官的构建仍待进一步研究。在这篇研究中,作者构建了hPSC分化为含有造血内皮样细胞和一系列造血细胞类型的人结肠类器官(HCO)。

研究人员首先构建了人结肠类器官HCO。HCO含有结肠上皮和周围的间充质衍生物,包括成纤维细胞、肌成纤维细胞和平滑肌细胞。RUNX1标志着造血内皮中的造血祖细胞,毗邻发育中的结肠,胚胎本身的主动脉-性腺-中肾(AGM)区域是形成HPC的主要位点之一。研究人员发现在E10.5小鼠胚胎中,AGM区域的内皮细胞包含新兴的RUNX1+HPC簇。此外,从第21天的HCO中分离出CD34+细胞,并显示其经历了类似内皮向造血转变的过程。总的来说,这些数据表明HCO培养物含有造血内皮样细胞和相关的RUNX1+细胞。


来源:DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002

为了表征HCO培养物中的造血潜力,研究人员进行了转录、形态学和功能分析。对从第21-28天HCO的培养基中收获的细胞纺丝细胞进行吉姆萨染色,主要鉴定出免疫祖细胞以及单核细胞和巨噬细胞样细胞,以及罕见的中性粒细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞样细胞。为了检查HCO中的红骨髓祖细胞(EMP),研究人员进行了Methocult测定,发现HCO培养物含有形成ErP、骨髓和混合骨髓(MM)集落的祖细胞。总之,在HCO中观察到的早期造血祖细胞和谱系与人类胚胎早期造血过程中观察到的非常相似。


来源:DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002

为了确定HCO相关造血细胞是否分化为类似于人类胚胎中的巨噬细胞,研究人员对HCO巨噬细胞发育的三个不同时间点(即第22天、第28天和第37天)进行了scRNA-seq分析。这三个时间点聚集在一个连续体中,从祖细胞到巨噬细胞有明显的进展,结果发现HCO中造血祖细胞向巨噬细胞的分化在转录上类似于人类胎儿造血,并且类似地表现出骨髓分化偏向。


来源:DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002

进一步研究发现,在体外HCO培养物中共同发育的巨噬细胞获得了类似于体内对应物的组织驻留转录特征。研究人员发现HCO巨噬细胞的一个子集表达炎症细胞因子,添加炎症抑制细胞因子IL-10可以抑制这些促炎细胞因子的分泌,表明体内IL-10介导的免疫耐受机制在HCO培养物中是保守的,并且HCO相关巨噬细胞可以对LPS产生快速而强烈的炎症反应,导致上皮坏死。

通过研究HCO巨噬细胞的吞噬功能,作者发现来自HCO的巨噬细胞是功能性常驻型巨噬细胞,能够对细菌颗粒和活细菌做出反应。最后,作者研究了这些巨噬细胞在长期HCO发育过程中是否继续保持驻留,将其再移植了4个月,其在组织学和转录上类似于人类胎儿小肠和结肠,最后研究人员发现,HCO可以产生并非源自 HSC的自我维持巨噬细胞。


来源:DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002

该研究数据表明,HCO环境为多能骨髓祖细胞的发展提供了必要的线索,转录证据支持多能造血祖细胞和淋巴祖细胞的存在。这些祖细胞的存在是短暂的,因为培养物中的内源性因子促进了从造血祖样细胞到单核细胞祖细胞到成髓细胞到最终在传代HCO中持续存在的单核细胞和巨噬细胞的稳健骨髓分化。

HCO巨噬细胞获得了类似于人类胎儿小肠和大肠组织驻留巨噬细胞的转录特征,这些巨噬细胞响应促炎和抗炎信号调节细胞因子分泌,并且能够吞噬病原菌并对病原菌产生强烈反应。当移植到小鼠体内时,HCO巨噬细胞保留在结肠类器官组织内,与结肠上皮建立了密切的联系,并且不会被宿主骨髓来源的巨噬细胞取代。这些研究表明,HCO中的HE产生多能造血祖细胞和功能性组织驻留巨噬细胞。总之,这项研究为生成含有常驻免疫细胞的其他人体类器官系统提供了一个框架。

参考文献:

Múnera JO, Kechele DO, Bouffi C, et al. Development of functional resident macrophages in human pluripotent stem cell-derived colonic organoids and human fetal colon. Cell Stem Cell. 2023 Nov 2;30(11):1434-1451.e9. doi: 10.1016/j.stem.2023.10.002. PMID: 37922878.

文章来源:“生物谷”

责编|探索君

排版|探索君

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