客观日本

京都大学利用iPS细胞成功评估肺泡上皮细胞分化过程

2021年01月07日 生物医药

本文根据京都大学成果发布编译整理而成

肺是吸入氧气并排出二氧化碳的气体交换组织。在这种气体交换中发挥重要作用的细胞有I型肺泡上皮细胞和II型肺泡上皮细胞。已知I型肺泡上皮细胞会因病毒感染和环境刺激而死亡,为补充死亡的I型肺泡上皮细胞,II型肺泡上皮细胞会分化为I型肺泡上皮细胞。这种细胞的分化异常被认为是间质性肺炎等呼吸系统疾病的发病原因之一,但此前一直没有利用人体细胞评估分化的方法,大大限制了研究的发展。

京都大学研究生院医学研究科的特定副教授后藤慎平、研究员金墙周平和呼吸内科的研究生池尾聪等人,在与东京大学研究生院的铃木穰教授推进的联合研究中,以单个细胞水平对利用人iPS细胞培养的肺泡上皮细胞进行了基因分析,明确了由II型肺泡上皮细胞生成I型肺泡上皮细胞的过程。源自人iPS细胞的肺泡上皮细胞的培养模型今后有望用来开发修复肺部的新药等。

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研究概略图

研究成果

i. 源自人iPS细胞的II型肺泡上皮细胞分化为I型肺泡上皮细胞

把源自人iPS细胞的肺泡上皮细胞与成纤维细胞一起进行三维培养后,通过分析单个细胞的基因表达对所含的细胞进行评估发现,其中含有I型肺泡上皮细胞(图1)。

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图1:把源自iPS细胞的II型肺泡上皮细胞与成纤维细胞一起进行三维培养后,其中所含的细胞 (1个点代表1个细胞)

另一方面,仅对源自人iPS细胞的II型肺泡上皮细胞进行三维培养时,培养出来的细胞中不含I型肺泡上皮细胞。这些结果表明,在含成纤维细胞的环境中进行三维培养的话,源自iPS细胞的II型肺泡上皮细胞容易分化成I型肺泡上皮细胞。另外还发现,将II型肺泡上皮细胞与成纤维细胞一起进行三维培养时生成的I型肺泡上皮细胞,基因表达模式与人肺部的I型肺泡上皮细胞相似(图2)。

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图2:源自iPS细胞的I型肺泡上皮细胞与人肺部的I型肺泡上皮细胞的基因表达比较

这些结果表明,源自iPS细胞的I型肺泡上皮细胞可能与人体肺部存在的I型肺泡上皮细胞有相似的性质,可以利用源自iPS细胞的肺泡上皮细胞评估分化过程。

ii. 与以往的I型肺泡上皮细胞的比较

研究团队利用以往的平面培养法使源自iPS细胞的肺泡上皮细胞分化成I型肺泡上皮细胞,并分析了单个细胞的基因表达,发现虽然其中一部分含有正常的I型肺泡上皮细胞,但其余都是间质性肺炎中发现的异常I型肺泡上皮细胞。这表明,利用以往的平面培养法无法评估正常的I型肺泡上皮细胞分化,证明通过三维培养分化I型肺泡上皮细胞是合理的方法。

iii. 促进向I型肺泡上皮细胞的分化

为促进向I型肺泡上皮细胞分化,研究团队进行三维培养时加入了名为XAV-939的化合物,结果显示,源自iPS细胞的II型肺泡上皮细胞有70%以上变成了I型肺泡上皮细胞。另外,添加了XAV-939的细胞还发生了形状变化,变成I型肺泡上皮细胞特有的薄细胞(图3)。I型肺泡上皮细胞为进行气体交换,呈现独特的扁平形状,研究团队认为,通过添加XAV-939可以进行模仿。

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图3:通过添加XAV-939促进向I型肺泡上皮细胞分化(比例尺=50μm)

与以往的方法相比,利用此次的研究可以培养出与人肺部的I型肺泡上皮细胞更相似的细胞,表明源自人iPS细胞的肺泡上皮细胞可用来调查II型肺泡上皮细胞分化为I型肺泡上皮细胞的过程,这是此前一直难以评估的。

论文信息
题目:Directed induction of alveolar type I cells derived from pluripotent stem cells via Wnt signaling inhibition
期刊:Stem Cells
DOI:10.1002/stem.3302

日语发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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