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【论文分享】人肺类器官—COVID-19药物筛选的新工具
发布时间:2021-11-11 10:59 | 点击次数:
2020年5月5日,由美国康奈尔医院的Yuling Han团队在生物学预印本bioRxiv中发表的题为《Identification of Candidate COVID-19 Therapeutics using hPSC-derived Lung Organoids》的文章,全球首次报道了用肺类器官模型研究COVID-19及其治疗药物的筛选。 |
Part 1 诱导hPSC分化为肺类器官,肺类器官组织对SARS-CoV-2伪病毒感染敏感,且体内外研究结果一致 |
研究人员们使用多种细胞因子及小分子组合体外定向诱导hPSC分化,使之分化为定型内胚层(DE),再分化为前肠内胚层(AFE)(前肠内胚层含肺部祖细胞(LPs) ),最终诱导其分化为肺类器官。通过分析单细胞转录组特征,鉴定肺类器官细胞类型,如II型肺泡细胞(AT2细胞, SP-B+SP-D+ABCA3+)、I型肺泡细胞(AT1细胞, PDPN+APQ5+)、基质细胞、增殖细胞、神经内分泌细胞(ASCL1+CALCA+)以及气道上皮细胞等(图1a)。
图1a 体外诱导肺类器官细胞类型鉴定
图1d ACE2和TMPRSS2在AT2细胞的表达(SFTPB、SFPTD和 ABCA3为AT2细胞的表面标志物)
图1f ARS-CoV-2伪病毒感染肺类器官荧光素酶(LUC)活性检测结果 为了研究人类肺器官的体内模型,研究人员将体外培养了25天的肺祖细胞(LPs)注射到免疫缺陷的NSG小鼠皮下,待其生长分化4个月后(图1g),成为具有肺泡组织样结构(图1h)的异种移植体。免疫荧光染色结果显示,在异种移植体中存在大量表达ACE2的SP-B+AT2细胞(图1i)。 图1g-i 小鼠体内LPs诱导形成肺泡组织及组织内AT2细胞鉴定 研究人员将SARS-CoV-2伪病毒注射入移植体,24小时后检测到SP-B+AT2细胞荧光素酶(LUC)的表达显著高于对照组(图1j)。LPs诱导形成的肺异种移植体对SARS-CoV-2病毒感染同样敏感。
图1j SARS-CoV-2伪病毒感染肺异种移植体
Part 2
研究人员将肺类器官与SARS-CoV-2共培养,考察SARS-CoV-2感染肺类器后病理变化,感染24小时后,肺类器官中SARS-CoV-2 DNA及SARS-S蛋白含量显著升高(图2a,b),RNA序列检测结果证实了SARS-CoV-2的强劲复制。研究人员还发现肺类器官中趋化因子及细胞因子表达显著上调,但并未检测到I型和III型IFNs。
图2 a,b 肺类器官中SARS-CoV-2 DNA及SARS-S蛋白含量检测结果
基因集合富集分析(GSEA)结果显示,感染的肺类器官多条信号通路上调,如TNF信号通路、IL-17信号通路、趋化因子信号通路等,其中IL-17信号通路的上调与COVID-19患者肺组织的检测结果相一致(图2f, h)。以上研究结果均表明人肺类器官模型可以作为研究SARS-CoV-2感染以及致病机制的工具。
图2f hPSC诱导的肺类器官与对照组相比不同信号通路基因过表达分析 图2h COVID-19患者与健康者相比不同信号通路基因过表达分析 Part 3
为了明确能够阻断SARS-CoV-2伪病毒感染的候选药物,研究人员将hPSC来源的肺类器官转移至384孔板,培养6小时使其成团。选择FDA批准的药物以10 μM的浓度处理2小时后,将SARS-CoV-2伪病毒与肺类器官共培养,24小时后对类器官进行荧光素酶活性分析。选择Z值<-2孔使用的药物为候选药物。对不同浓度的候选药物进行药物效力和细胞毒性分析(图3e, f, g)。imatinib、mycophenolic acid(MPA)和quinacrine dihydrochloride(QNHC)三种药物被证实不依赖于细胞毒性,以剂量依赖的方式阻断SARS-CoV-2伪病毒感染。
图2e, f, g Imatinib, MPA, QNHC效力及细胞毒性检测曲线
图3h SARS-CoV-2伪病毒感染imatinib, MPA, QNHC处理过的肺类器官
图3i LPs诱导形成肺泡组织的小鼠体内给药方案
图3j 体内给药后,SARS-CoV-2伪病毒感染肺异种移植体
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