“支气管球”可能为个性化囊性纤维化治疗铺平道路

资料来源：

波士顿大学

摘要:

科学家们已经宣布了两项主要发现：进一步了解干细胞如何成为器官：生长并净化人类干细胞中出现的最早的肺祖细胞的能力，以及将这些细胞分化为模拟囊性纤维化微小“支气管球”的能力。研究人员希望结果将产生新的治疗肺部疾病的“个性化医学”方法。

像所有的器官一样，人的肺部以未分化的干细胞团开始存在。但是在几个月的时间里，细胞就被组织起来了。他们聚集在一起，分支和芽，一些形成气道和其他肺泡，我们的身体为二氧化碳交换氧气的微妙的囊。理想的最终结果是：两个健康的不断呼吸的肺。

多年来，研究肺部疾病如囊性纤维化的科学家已经尝试从头到尾详细地追踪这一过程，希望了解肺部正常形态如何能够有助于解释是如何出现问题的。现在，波士顿大学再生医学中心（CReM）的科学家已经宣布了两个主要的发现进一步了解这一过程：生长并净化人类干细胞中出现的最早的肺祖细胞的能力，以及区分这些细胞成为模拟囊性纤维化的微小“支气管球”的能力。研究人员希望在临床调查和细胞干细胞杂志上分别公布的结果将导致新的治疗肺部疾病的“个性化医学”方法。

CReM主任和论文的联合资深作者Darrell Kotton以及德克萨斯大学UTHealth的Brian Davis表示：“将这些细胞与纯度分开是非常困难和重要的。这是试图预测个人如何对现有治疗或新药物做出回应的第一步。”

Kotton补充说：“有很多肺部疾病除了肺部移植以外还没有治疗方法，开发新工具来了解这些疾病至关重要。”他们的工作由美国国立卫生研究院（NIH），囊性纤维化基金会和马萨诸塞州生命科学中心资助。

CReM科学家致力于诱导性多功能干细胞或者说是iPSCs（Shinya Yamanaka在2006年发现的。）Yamanaka想出了如何将人体中的成体细胞 - 像血细胞或皮肤细胞 - “重新编程”变成具有生长成任何器官的能力的干细胞。近年来，几组科学家已经从人类iPSCs中培养了肺细胞，但配方并不完美，所产生的肺细胞在肝细胞，肠细胞和其他组织中生长。

医学博士（MED）医学副教授兼CReM团队的成员Finn Hawkins说：“这是一个大问题。如果你想使用这些细胞来研究肺部，你需要摆脱其他的细胞。”Hawkins和以前 UTHealth的Philipp Kramer是“临床调查杂志”的首席作者。

首先，Hawkins需要一种识别肺细胞的方法。 Kotton和其他CReM科学家以前的工作表明，小鼠干细胞在“命运决定” - 即它们变成肺细胞的那一刻表达一个称为Nkx2-1的基因。Hawkins说：“这是第一个表示‘我是肺细胞’的基因。”Kotton建立了一个报告基因，当干细胞首先表达Nkx2-1时，绿色发光，霍金斯将相同的基因改造成人类细胞。现在，他可以很容易地发现和净化发光的绿肺细胞。

Hawkins和他的同事用流式细胞仪将绿色细胞从混合物中分离出来，然后用矩阵生长。结果是：大约半毫米的微小绿色球体，“一群纯净的早期肺细胞，”霍金斯说。该团队称之为微小的球体“有机体”，简化和小型化的器官，包含重要类型的肺细胞。有机物是工具，至少有两个重要的目的。首先，它们允许科学家详细研究很少有人知道的人类肺发育的关键时刻。霍金斯说：“我们发现许多控制其他物种如小鼠的肺发育的基因也在这些人类细胞中表达出来。”

有机体的另一个目的是：科学家们可以将它们生长成对肺功能至关重要的更成熟，特定的细胞类型，如气道细胞或肺泡细胞。霍金斯说：“现在我们可以开始看病了。”那就是凯瑟琳·麦考利（Katherine McCauley）（MED'17），CReM的第五年博士候选人。

McCauley的兴趣是囊性纤维化，一种由单基因突变引起的疾病，CFTR。突变导致人的肺部产生粘稠的粘稠粘液，导致感染，炎症，最终导致肺衰竭。对于许多患者，没有治愈方法。

McCauley，看着疾病的最早阶段，想把霍金斯的纯化肺细胞进入下一步，弄清楚他们如何成为气道细胞。通过许多艰苦的实验，她在称为Wnt的信号通路上归零，已知在小鼠肺发育中是重要的。通过关闭路径，她引导未成熟的肺细胞成为气道细胞。然后，她将它们变成细胞细胞，这叫做“支气管球”。

与霍金斯的有机体类似，支气管球不像支气管一样;它们只是特定细胞的集合。但它们的特殊性使得它们非常有用。 “我们想看看我们是否可以用这些来研究气道疾病，”麦考利说。 “这是一个很大的目标：从病人那里设计这些细胞，然后用它来研究那些患者的疾病。”

作为概念证明，McCauley从患有囊性纤维化的患者获得了两条细胞系，其中引起该疾病的CFTR突变已被纠正，其中一条未被发现，并且成长为支气管。为了看看她的食谱是否奏效，她进行了一项测试，应用一种药物，使得由正常功能细胞形成的球体充满液体。它有效：“固定”支气管球开始膨胀，而囊性纤维化球体没有反应。 McCauley在细胞干细胞研究中发表了这些研究成果，并且是研究的主要作者，他说：“很酷的部分是我们用高通量显微镜来测量这个结果，然后我们计算出面积随时间的变化。 “所以现在我们可以定量评估CFTR功能。”

McCauley说，下一步是改进测试，并扩大测试，并为其他肺部疾病创建类似的测试。她说：“最终的目标是从患者身上取出细胞，然后筛选不同的药物组合。” “我们可以采取病人的细胞和测试不是二十，但是数以百计的药物，并且实际了解病人在给予治疗之前如何应对的想法，这是一个难以置信的想法。”