조상 식별 및 SARS

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Oct 26, 2023

조상 식별 및 SARS

자연 588권, 페이지

Nature 588권, 670~675페이지(2020)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

원위 폐에는 가스 교환을 촉진하는 말단 세기관지와 폐포가 있습니다. 3차원 체외 인간 원위 폐 배양 시스템은 중증 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)로 인한 간질성 폐 질환, 암 및 코로나바이러스 질환 2019(COVID-19) 폐렴과 같은 병리학의 조사를 강력하게 촉진할 것입니다. 여기서 우리는 단일 성인 인간 폐포 상피 유형 II(AT2) 또는 KRT5+ 기저 세포에서 파생된 오르가노이드로 원위 폐 전구세포를 위한 장기간 피더가 없고 화학적으로 정의된 배양 시스템의 개발을 설명합니다. AT2 오가노이드는 AT1 세포로 분화할 수 있었고, 기저 세포 오가노이드는 분화된 곤봉 세포와 섬모 세포가 늘어선 내강을 발달시켰습니다. 기본 오가노이드의 KRT5+ 세포에 대한 단일 세포 분석에서는 ITGA6+ITGB4+ 유사분열 세포의 뚜렷한 집단이 밝혀졌으며, 이 세포의 자손은 KRT5+ 기저 세포의 약 10%를 구성하는 TNFRSF12Ahi 하위 분획으로 추가로 분리되었습니다. 이 하위 집단은 말단 세기관지 내에 클러스터를 형성하고 농축된 클론 생성 유기체 성장 활성을 나타냈습니다. 우리는 노출된 외부 표면에 ACE2를 제시하고 SARS-CoV-2에 의한 AT2 및 기저 배양의 감염을 촉진하고 클럽 세포를 표적 집단으로 식별하기 위해 정점-아웃 극성을 갖는 원위 폐 오가노이드를 만들었습니다. 인간 원위 폐 오가노이드의 장기간 피더 없는 배양은 단일 세포 분석과 결합되어 기저 세포 간의 기능적 이질성을 식별하고 코로나19 관련 폐렴을 포함한 인간 원위 폐 감염에 대한 손쉬운 시험관 내 오가노이드 모델을 확립합니다.

원위 폐는 염증성, 신생물성 또는 코로나19 폐렴과 같은 감염성 질환으로 인해 손상될 수 있는 필수 호흡 기능을 수행합니다. 이러한 조건에 대한 연구는 인간 세포를 기반으로 한 강력한 시험관 내 모델에 의해 촉진될 것입니다. 인간 수명에 걸쳐 생체 내에서 말단 폐 상피를 재생하는 줄기 세포의 정체는 이들 종 간의 차이에도 불구하고 마우스 연구를 통해 추론되었습니다1. 인간의 경우 기저 줄기 세포는 기도 나무 전체에 걸쳐 있는 반면, 마우스에서는 클럽 세포2 및/또는 분비글로빈 1A1(SCGB1A1) 발현 비클럽 세포3가 노화 동안 원위 세기관지를 재생합니다. 가스 교환 영역에서 마우스 폐포 상피 유형 II(AT2) 세포는 항상성 동안 AT1 및 AT2 세포를 생성하고 심각한 부상3,6,7,8,9에 대응하여 추가적인 전구 세포가 모집됩니다. 인간 폐에서 임의 전구 세포의 존재 및/또는 역할은 알려져 있지 않습니다. 인간 AT2 세포는 AT1 세포로 분화될 수 있지만 이러한 배양은 수명이 짧고 장기적인 자가 재생을 나타내지 않거나 질병 모델링을 위한 확장을 가능하게 하지 않습니다4,10,11; 또한 피더 셀에 대한 요구 사항은 특정 틈새 구성 요소의 정의를 방해합니다. 우리는 AT2 및 기저 줄기 세포를 포함한 인간 폐의 원위 장기 오가노이드 배양을 확립했으며 이 시스템을 사용하여 기능성 전구 세포를 검증하고 SARS-CoV-2 감염을 모델화했습니다.

우리는 콜라겐 / 라미닌 세포 외 기질 (ECM)에서 136 명의 개체로부터 원위 인간 폐 전구 세포의 클론 확장을 지원하기 위해 중간 조건을 경험적으로 정의했습니다 (그림 1a, 보충 표 1). EGF와 BMP 길항제 NOGGIN은 함께 분리된 원위 폐 세포 또는 정제된 상피 분획의 성장을 지원했습니다(확장 데이터 그림 1a-c). 단일 세포(확장 데이터 그림 1d-g)는 SFTPC+HTII-280+ AT2 낭포성 오르가노이드(그림 1b-e) 또는 기저 세포 마커 KRT5(그림 1b, f-h)를 발현하는 KRT5+ 고체 오르가노이드로 확장되었습니다.

ㅏ. 인간 원위 폐 D14(14일차) 오가노이드 배양물에는 낭성 및 고체 오가노이드가 포함되어 있습니다. 왼쪽 하단, 명시야; 오른쪽은 헤마톡실린과 에오신(H&E)입니다. 스케일 바, 100μm. b, 항-KRT5(기저 세포), 항-SFTPC(AT2 세포) 및 항-SCGB1A1(클럽 세포) 항체를 사용한 전체 마운트 면역형광. 스케일 바, 100μm. c–e, D32의 폐포 유기체. c, 낭성 AT2 오르가노이드. 그; 스케일 바, 25μm. d, 항-SFTPC, 항-HTII-280, 팔로이드(Ph) 및 DAPI에 대한 전체 마운트 면역형광; 스케일 바, 50μm. e, d에 인접한 섹션의 Anti-KI67 및 DAPI 형광. f–h, D32의 기본 오르가노이드. f, H&E; 스케일 바, 50μm. g, 항-KRT5 및 DAPI에 대한 전체 장착 면역형광법; 스케일 바, 100μm. h, g에 인접한 섹션의 항-KI67 및 DAPI 면역염색. i-k, D28의 전체 원위 폐 오르가노이드의 단일 세포 RNA-seq. i, AT2, 기초 및 클럽 집단을 보여주는 7,285개 개별 세포의 t-분산 확률적 이웃 임베딩(t-SNE) 플롯. j, SFTPC(AT2), KRT5(기저) 및 SCGB1A1(클럽)의 발현. k, SFTPC(AT2), KRT5(기저) 및 SCGB1A1(클럽)의 발현에 대한 특징 도표. l–p, Clonogenic AT2 유기체 배양. l, D180에서 AT2 오가노이드의 명시야 현미경 검사법; 스케일 바, 200μm. m, l에서와 같이 배양물로부터 H&E 염색; 스케일 바, 50μm. n, D32에서 AT2 오르가노이드의 투과전자현미경. LB, 라멜라체; 스케일 바, 5μm. o, p, D32(o)에서 AT2 오르가노이드의 면역형광; 추가로 10일 동안 유리 위에서 배양하면 AT1 세포로의 분화가 유도됩니다(p). 항-HTI-56(AT1) 및 항-HTII-280(AT2)에 대한 면역형광; 스케일 바, 50μm. q, 누적 배양의 D89에 있는 2,780개의 AT2 오르가노이드 세포의 scRNA-seq 특징 플롯.

99.9% EPCAM+ purity (orange) upon re-analysis versus unstained controls (grey). Bottom right, proliferation of EPCAM+ cells purified from distal lung cultures after day 10 of organoid culture with specified growth factors, N = Noggin, E = EGF, W = WNT3A, R = RSPO1, n = 3 per condition, data are mean ± s.e.m., ** = P < 0.01, two-tailed student's t-test. d, Time lapse transmission confocal images of solid and cystic organoids originating from single dissociated human distal lung cells, scale bar = 100 μm. e-g, Clonality mixing studies. e, Schema of mixing studies of lentivirus-GFP- and lentivirus-mCherry-expressing cells to determine clonality. f, Representative live fluorescent imaging of resultant green and red organoids from (e), scale bar = 500 μm. g, Quantitation of red, green, or chimaeric, distal lung organoid cultures from two individuals (1, 2) after initial and serial passaging (P1 = passage 1)./p>

90% KRT5+ cells as measured by intracellular KRT5 FACS of sedimented basal organoid cells; scale bar = 100 μm. e, Serial time lapse microscopy of sedimented basal organoids reveals spontaneous cavitation within two weeks post passage or within four weeks of culture initiation; scale bar = 25 μm. f, g, Clonal mixing studies from stroma-depleted, Ficoll-purified and lentivirally-marked basal organoid cells demonstrating fully mCherry+ or GFP+ but not chimaeric organoids as in Extended Data Fig. 1f, passage 1 after lentiviral infection, scale bar = 200 μm. f, Representative clonal mixing image study. g, Quantitation. h, Growth factor evaluation for basal organoids after d14 sedimentation, enzymatic dissociation and clonogenic culture. Growth was not affected by the PORCUPINE inhibitor C59 (1 μM). n = 4 per condition, data are mean ± s.e.m., *** = P < 0.001, two-tailed student's t-test./p>

0.10 for 130 cancer genes using the TOMA Tumor Profiling System (TOMA, Foster City, CA)./p>