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当下，肺部疾病的发病率日益增加，而我们对于肺部发育和致病机制的认识却非常有限，这给肺部疾病的治疗带来了巨大的挑战。幸运的是，类器官作为一种优质的体外模型，为我们深入了解肺部的发育和病理过程提供了有力的支持。 今天小学社给大家带来一篇关于类器官研究肺部发育中细胞异质性的文献。让我们一起来了解一下吧！ 
过去几十年来，科学家们主要利用形态学、组织学和低通量方法来研究人体组织中有限数量的蛋白质和mRNA。然而，随着单细胞基因组学和高分辨率空间转录组学方法的发展，人体器官内特定细胞类型的鉴定和表征变得更加准确，从而可以研究组织组成、细胞异质性和组织功能。 近年来，在肺部领域，大量单细胞和空间转录组数据揭示了成人肺部在平衡状态或病理状态下的细胞异质性。此外，一些研究还发现了新的细胞类型和状态，揭示了人类肺部发育的复杂性。然而，由于伦理问题和组织获取困难的限制，目前研究人类器官和组织的功能性仍然存在一些难题。 
1. 由SCGB3A2/SFTPB/CFTR共表达定义的上皮细胞 该研究使用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）分析了受孕后数周人肺组织中气管、近端和远端气道的上皮细胞的异质性，并鉴定了多个细胞类型。研究团队发现了一种新的细胞群体下气道祖细胞（LAP），并进行了进一步的研究。研究发现，LAP细胞不表达俱乐部细胞标记物和肺泡标记物，但表达与俱乐部细胞、肺泡II型细胞和离子细胞相关的基因。通过荧光原位杂交（FISH）技术发现，LAP细胞在人胎儿肺的多个发育阶段中广泛存在，并且可通过SCGB3A2和 SFTPB的共表达来鉴定。 研究还揭示了LAP细胞在肺的发育过程中的时空分布和丰度变化，表明LAP细胞在小软骨区(52.4%)和非软骨性气道区(54.2%)最为丰富，在近端(气管，大软骨)或远端(细支气管，芽尖)的细胞较少（图1）。 
图1 2. 体外芽尖类器官分化模型对LAP细胞进行功能性研究 该研究使用原代人类芽尖类器官（BTO）作为模型，通过“双SMAD激活/抑制”法在21天内诱导分化为气道细胞。研究发现，BTO可以在21天内分化为气道细胞，包括基底细胞、多纤毛细胞、神经内分泌细胞和分泌细胞。分子研究表明，在分化过程中，LAP细胞的标记物(SCGB3A2、SFTPB)表达逐渐增加，并且在21天的气道类器官中存在着共表达LAP细胞标记物的细胞。这些结果表明，21天气道类器官分化模式是一个有效研究LAP细胞功能的模型。 3. LAP细胞是肺神经内分泌细胞（PNEC）和多纤毛细胞的祖细胞 该研究使用气道类器官模型研究了LAP细胞在气道分化过程中的作用。研究人员使用CellTagging技术标记和追踪单个细胞的克隆，利用这种技术将病毒标记转导21天诱导的气道类器官中，并通过细胞分选的方法分离出标记的细胞。研究通过基于基因模块的细胞评分方法鉴定了这些标记细胞的类型并发现标记的LAP细胞与胎儿LAP细胞簇具有高度相似的转录特征。 研究人员进一步对CellTag克隆分布进行了研究，发现LAP克隆在细胞类型和分泌细胞中存在不同的细胞谱系。此外，PNEC/PNEC前体和多纤毛细胞/多纤毛前体与LAP细胞具有相同的细胞起源，而分泌细胞和多纤毛细胞/多纤毛前体与基底细胞具有相同的细胞起源（图1A、2A-F）。 
图2 4. LAP 细胞和基底细胞导致多纤毛细胞异质性 研究发现人肺气道中的多纤毛细胞表现出转录异质性。通过实验和计算分析发现，不同来源和位置的多纤毛细胞存在区域差异的转录表达。研究人员提出了一种改进的肺气道分化模型，其中芽尖祖细胞（BTP）产生LAP和基底细胞，进而转化为不同类型的细胞。通过单细胞RNA测序数据验证发现两个候选基因（C6和MUC16），在多纤毛细胞中的表达水平有差异。研究人员观察到基底细胞在近端气道中更丰富，LAP细胞在下气道中更丰富，表明多纤毛细胞亚群在肺近端和远端轴上可能存在异质性。进一步的实验发现多纤毛细胞和PNEC标记共表达LAP细胞。这些数据表明，多毛细胞是异质的，具有区域不同的基因谱，这与下气道LAP细胞或上气道和气管基底细胞的解剖富集有关。（图2、3） 
图3 5. 气道类器官保留区域模式和细胞异质性 该研究利用气管和原代胎儿肺组织建立了不同的类器官系，以研究气道内的区域异质性。研究发现，气管类器官富集了基底细胞标记物和MUC16，含有SCGB3A1+和SCGB1A1+细胞，但没有SCGB3A2+细胞。相比之下，无软骨性气道（NCA）类器官中基因表达量显著增加，多纤毛标记和肺泡标记物表达也较高。NCA类器官中有少量的SCGB1A1+和SCGB3A1+细胞，但不表达SCGB3A2。这些结果进一步证实了这些类器官在NCA区域的气道组织中富集（图3E-G）。 6. 基础细胞谱系和 LAP 细胞谱系的体外功能评估 该研究使用荧光活化细胞分选（FACS）从NCA类器官中分离了基底细胞和LAP细胞，并分别扩增成类器官并进行评估。结果显示，基底细胞富集于EGFR和F3，而LAP细胞富集于MUC1。进一步的分析显示，F3/ EGFR-类器官中存在丰富的基底细胞标记物和TP63+细胞以及SCGB1A1、FOXJ1+细胞，但缺乏LAP和PNEC细胞。相反，MUC1-类器官中富集了LAP细胞标记物、FOXJ1+细胞和PNEC细胞，并包含少量基底细胞和SCGB1A1细胞。F3/ EGFR-类器官中MUC16/FOXJ1细胞的比例显著高于C6/FOXJ1细胞，而MUC1类器官中C6/FOXJ1细胞的比例显著高于MUC16/FOXJ1细胞。 此外，SCGB1A1和MUC5B的表达在这些培养中没有显著差异。F3/ EGFR-类器官产生的基底细胞衍生的类器官没有LAP细胞和PNEC，而MUC1-类器官产生的LAP细胞衍生的类器官具有PNEC和多纤毛细胞（图4）。 
图4 
随着单细胞RNA测序技术的广泛应用，人类肺部细胞的多样性研究取得了重大突破。深入评估这些新发现的细胞类型和功能状态对于理解它们在肺部功能中的作用至关重要。鉴于动物模型的局限性，越来越多的研究需要使用体外人类模型进行相关功能研究。 类器官是一种自我组织能力强的3D微型细胞簇，能够高度模拟人体器官的结构和功能，因此具有广泛的应用前景。本研究中，研究人员成功构建了类器官模型，用于研究LAP细胞在人类肺发育过程中的作用。预计未来，类器官将在更多研究领域发挥作用，有助于揭示生物学领域的奥秘！ 本文来源：类器官学社 |
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