先进肺类器官：呼吸系统与肺部疾病建模
J Tissue Eng 发表的系统综述，全面梳理肺类器官的生成方法、成熟度提升策略及其在呼吸系统感染和肺纤维化等肺部疾病建模中的应用。
肺类器官模拟人类呼吸系统细胞成分：传导气道和肺泡的不同上皮细胞类型
一、背景与意义
1.1 肺作为呼吸核心器官
肺负责呼吸功能，直接影响人类生命和生存。肺部疾病导致的损伤显著影响预期寿命和生活质量。
COVID-19 大流行的推动：
- 全球公共卫生危机激发了对人类肺模拟物的研究热情
- 迫切需要更好的体外模型来理解病毒入侵机制和宿主反应
- 肺类器官成为研究 SARS-CoV-2 感染的关键平台
1.2 肺类器官的优势
| 模型 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| 2D 细胞培养 | 操作简单、成本低 | 缺乏 3D 结构、细胞互作有限 |
| 动物模型 | 完整生理系统 | 种属差异、伦理问题、成本高 |
| 肺类器官 | 3D 结构、人源、可基因编辑 | 异质性、复杂性、成熟度不足 |
1.3 当前挑战
- 无法完全复制真实肺组织的细胞组成
- 缺乏血管化、免疫组分和机械力刺激
- 成熟度不足，难以模拟成人肺组织特征
二、呼吸系统的生理特性与细胞组成
2.1 呼吸系统结构
空气进入下呼吸道后，依次经过：
- 气管：环形软骨组织，提供弹性和稳定性
- 支气管：从气管分支进入左右肺，逐渐变细
- 细支气管：直径 <1mm，无软骨，含平滑肌
- 肺泡：呼吸功能单位，气体交换场所
2.2 传导气道上皮细胞
| 细胞类型 | 位置 | 功能 | 比例 |
|---|---|---|---|
| 基底细胞 | 支气管、细支气管 | 多能祖细胞，损伤后再生 | 大气道 30%，小气道 6% |
| Club 细胞 | 远端气道 | 分泌蛋白、解毒、祖细胞功能 | 细支气管主要细胞 |
| 纤毛细胞 | 全气道 | 清除异物和粘液 | 主要细胞类型 |
| 杯状细胞 | 大气道 | 分泌粘蛋白（MUC5AC/MUC5B） | 病理状态下增加 |
2.3 肺泡上皮细胞
| 细胞类型 | 功能 | 比例 |
|---|---|---|
| AT1 细胞 | 气体交换、薄层结构 | ~95% 表面积 |
| AT2 细胞 | 分泌表面活性物质、祖细胞 | ~60% 肺泡上皮细胞 |
三、肺类器官的生成方法
肺类器官的生成策略：从多能干细胞和组织来源干细胞
3.1 从多能干细胞（PSCs）生成
分化路径：
- ** definitive endoderm (DE)**：Activin A 诱导
- ** anterior foregut endoderm (AFE)**：SB431542 + Dorsomorphin
- ** 肺祖细胞**：FGF10 + FGF7 + BMP4
- ** 成熟肺上皮细胞**：多因子组合培养
3.2 从组织来源干细胞生成
气道类器官（Bronchosphere）：
- 来源：支气管上皮细胞
- 关键因子：EGF、FGF10、Noggin、R-spondin
- 应用：气道疾病建模、药物筛选
肺泡类器官（Alveolosphere）：
- 来源：AT2 细胞
- 关键因子：FGF7、FGF10、CHIR99021
- 应用：肺纤维化建模、再生医学
3.3 类器官培养系统
| 系统 | 优势 | 局限 |
|---|---|---|
| Matrigel 包埋 | 标准方法、支持 3D 生长 | 成分不明确、批次差异 |
| 气液界面（ALI） | 模拟体内环境、促进分化 | 操作复杂 |
| 微流控芯片 | 动态培养、机械力刺激 | 设备成本高 |
| 功能水凝胶 | 成分明确、刚度可调 | 需要优化配方 |
四、提升类器官复杂性和成熟度的策略
共培养策略提升肺类器官复杂性：内皮细胞、间充质细胞、免疫细胞
4.1 共培养策略
内皮细胞共培养：
- 促进血管化
- 改善营养和氧气供应
- 支持更大尺寸类器官生长
间充质细胞共培养：
- 提供结构支持
- 分泌生长因子和细胞因子
- 促进上皮细胞分化
免疫细胞共培养：
- 巨噬细胞：模拟肺部免疫反应
- T 细胞：研究适应性免疫
- 树突状细胞：抗原呈递研究
4.2 生物工程平台
气液界面（ALI）培养：
- 模拟气道表面液体环境
- 促进纤毛细胞分化和粘液分泌
- 支持长期培养
微流控芯片（Lung-on-a-chip）：
- 模拟呼吸运动（机械拉伸）
- 精确控制流体动力学
- 支持多细胞类型共培养
功能水凝胶：
- 模拟细胞外基质
- 可调刚度和生化信号
- 支持 3D 细胞生长和分化
五、疾病建模应用
5.1 呼吸系统感染
肺类器官在病毒感染建模中的应用
SARS-CoV-2（COVID-19）：
- ACE2 和 TMPRSS2 表达验证
- 病毒感染和复制动力学研究
- 宿主反应和细胞因子风暴机制
- 抗病毒药物筛选
流感病毒：
- 病毒株特异性感染研究
- 宿主-病毒互作机制
- 疫苗效力评估
呼吸道合胞病毒（RSV）：
- 婴幼儿呼吸道感染模型
- 先天免疫反应研究
5.2 肺纤维化
肺类器官在肺纤维化建模中的应用
特发性肺纤维化（IPF）：
- 患者来源类器官保留疾病特征
- TGF-β 信号通路激活
- 成纤维细胞活化和胶原沉积
- 抗纤维化药物筛选（尼达尼布、吡非尼酮）
囊性纤维化（CF）：
- CFTR 突变类器官模型
- 药物反应个体化预测
- CFTR 调节剂（Ivacaftor、Lumacaftor）疗效评估
5.3 肺癌
- 患者来源肿瘤类器官（PDOs）
- 肿瘤微环境模拟
- 药物敏感性测试
- 个性化治疗指导
六、药物筛选与评估
肺类器官在药物筛选中的应用流程
6.1 高通量药物筛选
- 自动化类器官培养平台
- 多化合物平行测试
- 剂量-反应曲线生成
- IC50/EC50 计算
6.2 毒性评估
- 药物肺毒性评估
- 纳米颗粒吸入毒性
- 环境污染物暴露研究
七、挑战与未来方向
7.1 当前挑战
- 血管化不足：大尺寸类器官内部缺氧坏死
- 免疫组分缺乏：无法完全模拟肺部免疫反应
- 成熟度有限：难以达到成人肺组织的成熟状态
- 标准化不足：不同实验室结果难以比较
- 规模化生产：从实验室到商业化的转化障碍
7.2 未来方向
- 血管化策略：内皮细胞共培养、生物打印血管网络
- 免疫系统整合：加入巨噬细胞、T 细胞等免疫细胞
- 机械力模拟：微流控芯片模拟呼吸运动
- AI 辅助设计：机器学习优化培养条件
- 多器官芯片：肺-肝-肾互联系统
- 临床转化：推动监管认可和个性化医疗应用
八、与我们的关联
作为生命科学仪器和耗材供应商，该领域的发展带来以下机会：
- 类器官培养：Matrigel、培养基添加剂（FGF10、FGF7、EGF）
- 气液界面设备：Transwell 小室、ALI 培养板
- 微流控芯片：Lung-on-a-chip 设备、蠕动泵
- 成像设备：共聚焦显微镜、活细胞成像系统
- 单细胞分析：scRNA-seq 平台、建库试剂
- 3D 培养耗材：低吸附板、基质胶替代品
原文下载
📄 advanced-lung-organoids-pmc-2024.pdf
文献信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标题 | Advanced lung organoids for respiratory system and pulmonary disease modeling |
| 期刊 | Journal of Tissue Engineering |
| 卷期 | Vol. 15, 2024 |
| DOI | 10.1177/20417314241232502 |
| PMC | PMC10894554 |
| 发表日期 | 2024 年 2 月 22 日 |
| 作者 | Hyebin Joo, Sungjin Min, Seung-Woo Cho |
| 机构 | 延世大学生命工程技术学院、延世大学化学与生物分子工程系 |
联系人｜李东伟
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