肺類器官
肺部系統由氣道和肺泡腔兩部分組成，組織和細胞的復雜性確保了肺的免疫防御和氣體交換功能。傳統的體外細胞實驗和動物模型在今天已被廣泛用于闡釋人肺發育、生理和發病機制，但這些模型都不能準確再現人肺環境與細胞之間的相互作用。研究表明，肺類器官是目前最接近人體肺系統的模型，以肺類器官為代表的體外肺模型也成為研究肺發育、功能和疾病病理學的更容易獲得的工具。
1、肺類器官的應用
肺類器官再現了人類氣道的特征，例如黏膜分泌、纖毛運動和再生。利用這種生物學相關性，肺類器官可用于研究肺損傷的修復/再生機制以及肺病的表型變化，也可用于毒性評估或藥物測試。
肺類器官結構是中空的，內部空腔，因此容易透光，可以用3D 生物分子和共聚焦成像方法定量分析細胞內容物、細胞存活評估和特定標記物的細胞分選。
由肺細胞產生的類器官也可用于研究早期肺癌以及識別和測試潛在的治療方法。肺癌類器官模型可以在保留親本腫瘤基因組變化的基礎上，模擬腫瘤復雜的細胞結構和生物學行為。因此，肺癌類器官被廣泛應用于信號轉導、生物標志物研究以及肺癌藥物篩選和療效預測等方面。近年來，肺癌類器官模型已成為腫瘤研究領域重要的臨床前模型。
圖1. 肺類器官的建立
2、肺類器官研究現狀
1993 年，Puchelle 及其同事在膠原蛋白中描述了成人氣道上皮的第一個自組織 3D 結構 [1]。 Rossant 及其同事首先描述了從人類 iPSC 中生成肺類器官的過程，其中包括使用 CFTR 突變 iPS 細胞作為模擬囊性纖維化 (CF) 的概念驗證 [2]。Dye 等人采用改良后的方法來產生具有基底細胞、纖毛細胞和棒狀細胞的成熟肺類器官 [3]。
2017年，Hans 和他的同事使用hiPSCs方法獲得肺類器官，這是首批與人類肺組織類似且包含分支氣道和肺泡結構的培養物 [4]。研究人員用呼吸道合胞病毒 (RSV) 感染了肺部類器官，導致小氣道阻塞和細支氣管炎，這與在人體肺部環境觀察到的情況一致。譚等人使用成人原代支氣管上皮細胞、肺成纖維細胞和肺微血管內皮細胞的 3D 組合成功研發出氣道類器官 [5]。
2021年，美國德克薩斯大學泰勒醫學中心的Ji Honglong教授在靶向治療領域的知名期刊《Signal Transduction and Targeted Therapy》上發表了題為《Fibrinolytic niche is required for alveolar type 2 cell-mediated alveologenesis via a uPA-A6-CD44+-ENaC signal cascade》的文章。這項研究是國際上首次發現尿激酶uPA通過A6-CD44+-ENaC信號軸調控肺上皮干細胞再生的新機制[6]。通過肺泡類器官的體外培養，首次證明纖溶系統對ENaC的調節作用，揭示纖溶系統可能作為肺泡干細胞修復再生的新干預靶點。
類器官在 SARS-CoV-2 的研究中也發揮著關鍵作用，COVID-19 正在全球范圍內升級。為了獲得與患者感染 SARS-CoV-2 后的情況非常相似的結果，研究人員將肺類器官與其他類器官混合 [7]。肺部類器官的 SARS-CoV-2 感染高度概括了現實世界患者的肺部感染，并顯示了不同細胞類型在受感染的肺部發揮的特殊功能。肺和其他類器官，以及多組織器官芯片平臺，可用于識別 SARS-CoV-2 感染后器官的病理過程，篩選候選藥物以及開發和評估疫苗安全性和有效性 [8-10]。
4、肺類疾病研究靶點
- ACE
- ACE2
- Axin2
- BMP4
- CD24
- CD31
- CD45
- CD49f
- CD104
- CLDN4
- CFTR
- EGF
- EpCAM
- FGF2
- FGF4
- FGF7
- FGF10
- FOXJ1
- GRHL2
- Grhl2
- Gli2
- Gli3
- HPS1
- HER2
- IL-6
- IL-13
- Krt5
- Krt8
- Krt14
- KRAS
- Lgr6
- MUC5B
- Muc5AC
- Noggin
- Notch2
- Ngfr
- PDGFRα
- R-spondin1
- SHH
- Scgb1a1
- Scgb3a2
- Splunc1
- STAT3
- SOX2
- SOX9
- SFTPA
- SFTPB
- SFTPC
- TNFα
- Trp63
- telomerase (TERT)
- ZNF750
參考文獻：
[1] Benali R, Tournier JM, et al. (1993) Tubule formation by human surface respiratory epithelial cells cultured in a three-dimensional collagen lattice [J]. Am J Physiol 264: L183–L192.
[2] Wong AP, Bear CE, et al. (2012) Directed differentiation of human pluripotent stem cells into mature airway epithelia expressing functional CFTR protein [J]. Nat Biotechnol 30: 876–882.
[3] Dye BR, Hill DR, et al. (2015) In vitro generation of human pluripotent stem cell derived lung organoids [J]. Elife 4: e05098.
[4] Chen, YW., Huang, S., de Carvalho, A. et al. A three-dimensional model of human lung development and disease from pluripotent stem cells [J]. Nat Cell Biol 19, 542–549 (2017).
[5] Tan Q, Choi KM, Sicard D, Tschumperlin DJ. (2017) Human airway organoid engineering as a step toward lung regeneration and disease modeling [J]. Biomaterials 113: 118–132.
[6] Gibran Ali, Mo Zhang, et al. Fibrinolytic niche is required for alveolar type 2 cell-mediated alveologenesis via a uPA-A6-CD44+-ENaC signal cascade [J]. Signal Transduction and Targeted Therapy 6, Article number: 97 (2021).
[7] Han Y, Duan X, et al. Identification of SARS-CoV-2 inhibitors using lung and colonic organoids [J]. Nature. 2020;589(7841):270–75.
[8] Zhao B, Ni C, Gao R, et al. Recapitulation of SARS-CoV-2 infection and cholangiocyte damage with human liver ductal organoids [J]. Protein Cell. 2020;11(10):771–5.
[9] Meyer-Berg H, Zhou Yang L, et al. Identification of aav serotypes for lung gene therapy in human embryonic stem cell-derived lung organoids [J]. Stem Cell Res Ther. 2020;11(1):448.
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