兩項研究利用人誘導性多能幹細胞產生肺細胞，研究肺部疾病

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就像所有器官那樣，人肺部剛開始時是作為未分化的幹細胞團塊存在的。但是在幾個月後，這些細胞形成有序的結構。它們聚集在一起，一些細胞形成肺部氣道，其他的細胞形成肺泡。肺泡是我們的人體交換氧氣和二氧化碳的地方。在理想的情形下，最終的結果是形成兩個健康的會呼吸的肺部。

多年來，研究囊性纖維化等肺部疾病的科學家們試圖自始至終詳細地追蹤這些疾病的致病過程，以便理解肺部如何在正常情形下形成，從而可能有助解釋是什麼發生差錯。如今，來自美國波士頓大學再生醫學中心（Center for Regenerative Medicine, CReM）的研究人員宣布了他們取得兩項重大的發現而有助進一步加深我們對這種過程的理解：培養和純化由人幹細胞產生的最早肺祖細胞（一種未成熟的肺細胞）的能力；讓這些幹細胞分化為微小的「支氣管球體（bronchosphere）」的能力，這種支氣管球體可用來構建囊性纖維化的疾病模型。他們希望這些結果將會導致人們開發出新的「個人化療法」來治療肺部疾病。第一項研究結果於2017年5月2日在線發表在Journal of Clinical Investigation期刊上，論文標題為「Prospective isolation of NKX2-1–expressing human lung progenitors derived from pluripotent stem cells」。第二項研究結果於2017年3月30日在線發表在Cell Stem Cell期刊上，論文標題為「Efficient Derivation of Functional Human Airway Epithelium from Pluripotent Stem Cells via Temporal Regulation of Wnt Signaling」。

作為這兩篇論文的通信作者，CReM主任Darrell Kotton說，「在利用人幹細胞產生未成熟的肺細胞當中，對這些細胞進行分選和純化是非常困難的和重要的。這是試圖預測一個人如何可能對現存的療法或新藥物作出反應的第一步。」

Kotton補充道，「對很多肺部疾病而言，除了肺部移植之外沒有其他的療法。開發新的工具來理解這些疾病是至關重要的。」

CReM研究人員利用人誘導性多能幹細胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）開展研究。他們獲得人體中的成體細胞（如血細胞或皮膚細胞），將它們 「重編程」為iPSC。iPSC能夠產生任何一種器官中的細胞。近年來，幾個科學家小組利用人iPSC培育出肺細胞，但是他們的配方並不是完美的：所產生的肺細胞與許多肝細胞、腸道細胞和其他的組織細胞一起生長。

波士頓大學醫學院醫科助理教授Finn Hawkins說，「這是一個大的問題。如果你想要利用這些細胞研究肺部，你需要除去其他的細胞。」Hawkins和Philipp Kramer是第一篇論文的共同第一作者。

首先，Hawkins需要一種方法來鑒定這些肺細胞。Kotton和其他的CReM研究人員之前開展的研究已證實小鼠幹細胞在分化為肺細胞的「命運決定」時刻表達Nkx2-1基因。Hawkins說，「這是表明肺細胞身份的第一個表達的基因。」Kotton構建出一個報告基因，使得這些小鼠幹細胞首次表達Nkx2-1時會發出綠色熒光。Hawkins將這個相同的報告基因導入到人細胞中。如今，他能夠輕鬆地觀察到和純化發出綠色熒光的肺細胞。

利用一台流式細胞儀，Hawkins和他的同事們從利用iPSC產生的細胞混合物中分離出發出綠色熒光的肺細胞，隨後在一種基質中培養它們。Hawkins說，結果就是形成微小的發出綠色熒光的球體，該球體長大約0.5毫米，「由純的早期肺細胞群體組成」。Hawkins團隊將這種微小的球體稱為「類器官（organoids）」，這種類器官含有關鍵的肺細胞類型。這種類器官允許科學家們詳細地研究人肺部發育中的關鍵時刻。Hawkins說，「我們已發現在小鼠等其他物種中控制肺部發育的很多基因也在這些人肺細胞中表達。」

這種類器官也有其他的用途：科學家們能夠將它們培養為更加成熟的對肺部功能至關重要的特化細胞類型，如氣道細胞或肺泡細胞。Hawkins說，「如今，我們實際上能夠開始研究肺部疾病。」

在第二項研究中，論文共同作者、CReM博士生Katherine McCauley對囊性纖維化感興趣。囊性纖維化是一種由單個基因CFTR發生突變導致的肺部疾病。這種突變導致病人的肺部產生厚厚的粘稠的粘液，從而導致感染和炎症，最終導致肺功能衰竭。對很多病人而言，沒有治癒這種疾病的方法。

研究這種疾病最早階段的McCauley想要利用Hawkins純化出的肺細胞開展下一步研究，和找出它們如何變成氣道細胞。通過很多辛苦的實驗，她著重關注Wnt信號通路。已知這種信號通路在小鼠肺部發育中發揮著重要的作用。通過關閉這個信號通路，她指導這些未成熟的肺細胞變成氣道細胞。隨後，她將它們培養成微小的「支氣管球體」。

正如Hawkins培養出的類器官那樣，這些支氣管球體並不像支氣管那樣發揮功能：它們僅是一群特定細胞。但是，它們的特性使得它們非常有用。McCauley說，「我們想要觀察我們是否能夠利用這些支氣管球體研究氣道疾病。這是重大目標之一：對來自病人的這些肺細胞進行基因改造，隨後利用它們研究這些病人所患的疾病。」

作為一項概念驗證，McCauley從一名囊性纖維化病人體內獲得兩種細胞系：一種細胞系攜帶著導致這種疾病的CFTR突變，但已被校正；另一種細胞系也攜帶這種突變，但未被校正。她將這些細胞系培養成支氣管球體。為了觀察她的方法是否起作用，她開展測試，並且使用應當導致由正常的功能性細胞組成的支氣管球體充滿液體的藥物。它確實起作用了：這些得到「校正的」支氣管球體對這種藥物作出反應，開始變得腫脹起來，而未得到校正的支氣管球體並不會作出反應。McCauley說，「精彩的地方在於我們利用高通量顯微鏡對這一點進行測量，隨後我們計算了支氣管球體面積隨著時間的變化。因此，我們如今能夠定量地評價CFTR功能。」

McCauley說，下一步就是改善這種測試方法，擴大這種測試規模，並且為其他的肺部疾病開發類似的測試方法。她說，「最終目標就是獲得一名病人的細胞，隨後利用這些細胞篩選不同的藥物組合。我們有一種不錯的想法就是我們能夠獲得一名病人的細胞，測試上百種或上千種藥物，真正地理解這名病人在接受治療之前如何作出反應。」

原始出處：

Finn Hawkins, Philipp Kramer, Anjali Jacob et al. Prospective isolation of NKX2-1–expressing human lung progenitors derived from pluripotent stem cells. Journal of Clinical Investigation, First published May 2, 2017, doi:10.1172/JCI89950

Katherine B. McCauley, Finn Hawkins, Maria Serra et al. Efficient Derivation of Functional Human Airway Epithelium from Pluripotent Stem Cells via Temporal Regulation of Wnt Signaling. Cell Stem Cell, Published Online: March 30, 2017, doi:10.1016/j.stem.2017.03.001