人肺類器官用于肺結(jié)核病研究進(jìn)展及前景

鐘鵬飛，保鵬濤 ，檀英霞

（1.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院衛(wèi)生勤務(wù)與血液研究所，北京 100089；2.河北北方學(xué)院研究生院，河北 張家口 075000；3.解放軍總醫(yī)院第八醫(yī)學(xué)中心呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，北京 100089）

結(jié)核病是一種由結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis，MTB）引起的嚴(yán)重威脅人類健康的傳染性疾病，主要集中在東南亞、非洲和西太平洋地區(qū)，我國(guó)的結(jié)核病病例數(shù)量居世界第2位，僅次于印度。MTB可侵犯全身各器官，其中以呼吸道為主，肺結(jié)核最為常見。世界衛(wèi)生組織于2014年提出了“終止結(jié)核病策略”，即2035年實(shí)現(xiàn)全世界范圍內(nèi)消滅結(jié)核?。?］，但耐藥MTB的出現(xiàn)給該戰(zhàn)略帶來很大的挑戰(zhàn)。目前多藥耐藥結(jié)核?。╩ultidrug-resistant tuberculosis，MDR-TB）的發(fā)病率不斷上升，且缺乏有效的治療藥物，使得患者預(yù)后不佳，嚴(yán)重威脅全球公共衛(wèi)生安全［1］。因此，更深入地闡明MTB與宿主尤其是肺部各類型細(xì)胞（大多數(shù)肺結(jié)核發(fā)病的起始部位）的相互作用機(jī)制、開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)且有效的抗結(jié)核藥物迫在眉睫。

傳統(tǒng)細(xì)胞模型和動(dòng)物模型在MTB感染機(jī)制研究中廣泛應(yīng)用，是結(jié)核病研究的重要工具［2］。例如，人原代支氣管上皮細(xì)胞用于研究MTB對(duì)支氣管上皮細(xì)胞的侵染能力［3］，巨噬細(xì)胞用于研究MTB感染后MTB代謝的變化以及MTB對(duì)宿主的免疫調(diào)節(jié)等［4］。然而細(xì)胞模型細(xì)胞種類單一，缺乏與免疫調(diào)節(jié)密切相關(guān)的空間結(jié)構(gòu)［5］。動(dòng)物模型是研究肺結(jié)核病的有力工具，如家兔和豚鼠等，但因存在種屬差異，同時(shí)由于動(dòng)物不是MTB的天然宿主，動(dòng)物模型只能在一定程度上模擬肉芽腫形成和肺空洞等肺結(jié)核病的病理特征［6-7］。非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物如獼猴是研究肺部MTB感染的較理想模型，幾可再現(xiàn)人類對(duì)MTB的所有宿主反應(yīng)，但非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型成本昂貴，且飽受倫理爭(zhēng)議。事實(shí)上，MTB感染可能開始于更早的時(shí)期，這在動(dòng)物模型中很難跟蹤［8］。因此，亟需可以反映人體生理學(xué)和病理學(xué)特點(diǎn)的肺模型，這對(duì)于肺結(jié)核病致病機(jī)制研究、臨床早期診斷以及抗結(jié)核新藥研發(fā)均具有重要意義。

隨著干細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)的發(fā)展，類器官（organoids）的出現(xiàn)為人們提供了一種全新的體外研究模型，可實(shí)現(xiàn)體外再現(xiàn)體內(nèi)源組織器官的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和功能特性［9］。本文對(duì)人肺類器官的構(gòu)建、在肺結(jié)核病研究中的進(jìn)展及其潛在的應(yīng)用前景等進(jìn)行綜述。

1 類器官概述

類器官是一種衍生于多能干細(xì)胞（pluripotent stem cells，PSC）或成體干細(xì)胞體外3D培養(yǎng)構(gòu)建的多細(xì)胞團(tuán)［12］，其中PSC包括體細(xì)胞重編程而來的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）［13］和胚胎干細(xì)胞［14］，而成體干細(xì)胞衍生的類器官可取自手術(shù)或活檢的健康或腫瘤組織。與傳統(tǒng)的細(xì)胞模型相比，類器官具有更加接近生理狀態(tài)的細(xì)胞類型和行為，并且保持著遺傳穩(wěn)定性及可擴(kuò)增性，研究數(shù)據(jù)更能代表人體內(nèi)細(xì)胞真實(shí)的生理反應(yīng)過程［10-11］。相對(duì)于動(dòng)物模型，類器官的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其為人類干細(xì)胞的衍生物，反映的是人體生理反應(yīng)，而不是“類人”反應(yīng)，更能準(zhǔn)確地反映致病菌對(duì)人體的感染過程。因此，類器官彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的細(xì)胞模型和動(dòng)物模型的不足，研究數(shù)據(jù)能更好地轉(zhuǎn)化應(yīng)用至人類本身，其中人肺類器官是研究呼吸系統(tǒng)疾病特別是肺結(jié)核病的一個(gè)獨(dú)特的模型。

2009年，Clevers團(tuán)隊(duì)利用腸道隱窩基底處的富含亮氨酸重復(fù)序列G蛋白偶聯(lián)受體5+（leucinerich repeat-containing G protein-coupled receptor 5+）腸道干細(xì)胞培育出世界上首個(gè)微型腸道類器官［15］。自此以后，類器官技術(shù)在人類科學(xué)研究發(fā)展史中拉開了帷幕，并迅速成為新的研究熱點(diǎn)，備受生物學(xué)界和臨床醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的關(guān)注。目前3D類器官培養(yǎng)技術(shù)已成功培養(yǎng)出大量具有部分關(guān)鍵生理結(jié)構(gòu)和功能的類組織器官，如腎［16］、肝［17］、肺［18］、腦［19］、胰腺［20］和視網(wǎng)膜［21］等。除形態(tài)還原度高外，類器官還具有可擴(kuò)增和基因組穩(wěn)定的特性，因而可使用與原代細(xì)胞相同的研究技術(shù)，如熒光標(biāo)記、活細(xì)胞成像、電子顯微鏡、質(zhì)譜和基因操作（如CRISPR-Cas9）等進(jìn)行研究［22-23］，特別適合于生物學(xué)研究領(lǐng)域?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于包括發(fā)育生物學(xué)［24］、疾病模型［25］、藥物篩選［26］和再生醫(yī)學(xué)［27］等研究。

2 人肺類器官的構(gòu)建

肺起源于胚胎發(fā)育時(shí)的腹側(cè)前腸內(nèi)胚層，其發(fā)育的不同階段受各種信號(hào)通路如Wnt、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β信號(hào)通路等緊密協(xié)調(diào)和調(diào)控，誘導(dǎo)分化的主要步驟包括內(nèi)胚層、前腸球體形成和近、遠(yuǎn)端肺上皮細(xì)胞的分化［28］。源于人PSC誘導(dǎo)分化獲得的人肺類器官方案為：首先通過激活素A（activin A）的作用促使人PSC向內(nèi)胚層分化，然后在FGF-4和Wnt信號(hào)通路激動(dòng)劑CHIR-99021等因子作用下形成前腸內(nèi)胚層，之后再加入一定濃度的FGF-10進(jìn)一步培養(yǎng)誘導(dǎo)為人肺類器官［18］。此外，人肺類器官也可從臨床穿刺或切除的肺組織中分離的氣道基底細(xì)胞、棒狀（Club）細(xì)胞或Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞等分化而來［29-30］。

3 人肺類器官在肺結(jié)核病研究中的應(yīng)用及前景

體外人體類器官是研究疾病病原學(xué)和病原體與宿主相互作用的獨(dú)特模型系統(tǒng)。目前，人PSC和組織來源的人肺類器官已成為研究多種呼吸道感染性疾病的有力工具，如隱孢子蟲［31］、銅綠假單胞菌［32］、呼吸道合胞病毒［33］、流感病毒［34］和新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）［35］等感染性疾病，提示人肺類器官能夠極大地促進(jìn)對(duì)呼吸道感染性疾病相關(guān)機(jī)制的研究。

3.1 在肺結(jié)核病研究中的應(yīng)用

目前人肺類器官已用于模擬MTB感染及產(chǎn)生的炎癥應(yīng)答，再現(xiàn)人體組織被MTB感染后產(chǎn)生的病理變化和免疫反應(yīng)，從而為臨床治療提供參考。許多研究結(jié)果已表明，MTB主要通過侵入肺泡巨噬細(xì)胞并在吞噬體內(nèi)復(fù)制引起原發(fā)性肺部感染。但也有學(xué)者認(rèn)為，MTB可通過其他途徑，如通過入侵肺泡上皮細(xì)胞［36］、黏膜相關(guān)淋巴組織［37］或微褶細(xì)胞［38］觸發(fā)局部炎癥反應(yīng)，釋放的趨化因子可募集各類免疫細(xì)胞并在此形成肉芽腫。Iakobachvili等［39］用顯微注射的方法將MTB注射至含有基底細(xì)胞、纖毛細(xì)胞和杯狀細(xì)胞的人細(xì)支氣管類器官管腔中探索感染的早期事件，發(fā)現(xiàn)MTB對(duì)上皮細(xì)胞的低嗜性；他們進(jìn)一步分析肺類器官炎癥因子的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞介素8（interleukin-8，IL-8）和β-防御素1（βdefensin-1）在上皮細(xì)胞的表達(dá)顯著增加，有利于免疫細(xì)胞趨化并控制感染。此外，與氣道分泌物產(chǎn)生有關(guān)的黏蛋白5B（mucin 5 subtype B）和黏蛋白4等基因的表達(dá)均顯著降低，這可能有利于MTB在氣道中定植，但影響?zhàn)さ鞍妆磉_(dá)的具體機(jī)制還有待闡明。該研究通過氣道類器官在3D水平上揭示了感染早期MTB在宿主體內(nèi)的適應(yīng)性、細(xì)胞嗜性和宿主反應(yīng)，同時(shí)也揭開了肺結(jié)核病體外研究的新篇章。

目前人肺類器官用于肺結(jié)核病研究的相關(guān)報(bào)道較少，期待更多的研究者使用人肺類器官這一獨(dú)特模型，進(jìn)一步探索MTB的感染機(jī)制及其在宿主體內(nèi)的進(jìn)化、蟄伏和復(fù)蘇過程，從而為研發(fā)更多有潛力的抗肺結(jié)核病藥物或疫苗提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 在肺結(jié)核病研究中的應(yīng)用前景

盡管當(dāng)前人肺類器官用于肺結(jié)核病的研究剛剛起步，但它已廣泛應(yīng)用于其他呼吸道感染性疾病的研究并取得很大進(jìn)展。由此提示，該模型在構(gòu)建肉芽腫模型、肺結(jié)核病機(jī)制研究、共病研究及抗結(jié)核藥物篩選等方面亦可能具有很好的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步探索。

3.2.1 構(gòu)建肉芽腫模型

如前所述，肉芽腫組織是結(jié)核病典型的病理標(biāo)志，其形成與MTB的上皮細(xì)胞相互作用有關(guān)［40］。作為控制MTB復(fù)制的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其同樣也可能成為促進(jìn)病原體復(fù)制的“溫床”［41］。MTB在該結(jié)構(gòu)內(nèi)的存活狀態(tài)（休眠和復(fù)蘇等）代表了結(jié)核病的關(guān)鍵階段。已有研究表明，MTB在生存壓力下，通過上調(diào)三酰基甘油合酶1基因表達(dá)，從宿主細(xì)胞中獲取甘油三酯作為能量來源，進(jìn)入休眠和耐藥狀態(tài)［42］。然而尚不明確MTB表達(dá)何種基因產(chǎn)物促進(jìn)了宿主釋放甘油三酯，這種基因產(chǎn)物可能成為對(duì)抗休眠狀態(tài)并發(fā)展為耐藥性病原體的新藥靶標(biāo)。因此，需要建立包含人類宿主細(xì)胞的體外肉芽腫模型進(jìn)行觀察和驗(yàn)證［43］，以研制新的針對(duì)性治療藥物。

目前，已通過多種方法建立了體外肉芽腫模型，如人外周血單核細(xì)胞肉芽腫模型［44］、膠原蛋白基質(zhì)模型［45］、多細(xì)胞肺組織模型［46］和生物電噴霧3D模型［47］，闡明了部分免疫機(jī)制，然而上述模型有的過于簡(jiǎn)單，缺乏其他的宿主細(xì)胞類型和細(xì)胞外基質(zhì)；有的又過于復(fù)雜且通量低，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。人肺類器官不僅包含多種類型的人肺細(xì)胞，其培養(yǎng)過程也需要細(xì)胞外基質(zhì)，符合肉芽腫的形成條件。若將免疫細(xì)胞與人肺類器官共培養(yǎng)，引入MTB感染人肺類器官后建立體外肉芽腫模型，比現(xiàn)有體外肺結(jié)核模型更具有代表性，更有助于探索肺結(jié)核病的發(fā)病機(jī)制。

3.2.2 與其他先進(jìn)技術(shù)結(jié)合用于肺結(jié)核病機(jī)制研究

由于體外模型可操作程度高，將肺類器官與其他先進(jìn)技術(shù)結(jié)合可能產(chǎn)生1+1＞2的效果。CRISPRCas9系統(tǒng)是一種功能強(qiáng)大的基因編輯工具，可與人肺類器官高效結(jié)合。一方面，它可對(duì)MTB進(jìn)行基因編輯，如敲除MTB上某藥物潛在靶點(diǎn)，在人肺類器官疾病模型上驗(yàn)證該藥物的效果［48］；另一方面，它也可對(duì)類器官進(jìn)行基因編輯，基因編輯后的類器官可用于驗(yàn)證該基因?qū)τ贛TB感染的必要性，并找到相應(yīng)治療靶點(diǎn)。類器官結(jié)合數(shù)學(xué)和計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科應(yīng)用，可輕松實(shí)現(xiàn)疾病模型數(shù)據(jù)收集并進(jìn)一步改良，以用于快速且高效篩選干預(yù)措施［49］。

單細(xì)胞測(cè)序（single-cell sequencing）技術(shù)作為一種當(dāng)今最為先進(jìn)的組學(xué)技術(shù)之一，可用于研究細(xì)胞異質(zhì)性。例如，Han等［35］通過單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)對(duì)感染SARS-CoV-2后的肺類器官細(xì)胞群進(jìn)行鑒定，其中特異表達(dá)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2的肺泡Ⅱ型上皮細(xì)胞能夠被SARS-CoV-2感染，并由此進(jìn)一步篩選了多種血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2的抑制劑，有望成為新型冠狀病毒感染肺炎（COVID-19）治療的新策略?？梢姡瑔渭?xì)胞測(cè)序技術(shù)與人肺類器官結(jié)合，有利于對(duì)MTB與人類宿主的相互作用機(jī)制進(jìn)行深度探索。

3.2.3 共病研究

結(jié)核病的發(fā)展與許多個(gè)體因素有關(guān)，如糖尿病、人類免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）合并感染、吸煙和酗酒等［50］。糖尿病是活動(dòng)性和潛伏性肺結(jié)核發(fā)病的主要危險(xiǎn)因素，導(dǎo)致患者對(duì)結(jié)核病易感性增加［51］；HIV合并感染也是發(fā)生活動(dòng)性結(jié)核病的重要風(fēng)險(xiǎn)因素，增加了原發(fā)性感染或再感染的易感性［52］。共感染的病原體之間相互促進(jìn)或抑制的程度取決于其共同感染的物種，而物種間的種屬差異性導(dǎo)致病情的嚴(yán)重程度不同，進(jìn)而對(duì)治療決策產(chǎn)生干擾［53］。而使用來自不同個(gè)體（不同遺傳背景及合并癥的潛在感染者）的成體干細(xì)胞衍生的肺類器官，是開展結(jié)核病與其他疾病共病機(jī)制研究的極佳平臺(tái)。個(gè)體化人肺類器官可對(duì)MTB與宿主的相互作用進(jìn)行深刻剖析，從而為個(gè)體化治療開辟新途徑［2］。此外，人iPSC衍生的肺類器官依然能夠保留源個(gè)體的特征，如遺傳多樣性、年齡、代謝狀態(tài)和突變標(biāo)志等［54-55］。因此，將某個(gè)患者的iPSC衍生的肺類器官和免疫細(xì)胞共培養(yǎng)搭建的肺結(jié)核模型，能夠最大程度地反映具有個(gè)體特點(diǎn)的病原體與宿主相互作用和治療的差異性，成為開發(fā)呼吸道感染性疾病個(gè)性化治療方法的有力工具。

3.2.4 抗結(jié)核藥物篩選

抗結(jié)核藥物敏感性試驗(yàn)對(duì)結(jié)核病治療至關(guān)重要，傳統(tǒng)藥物測(cè)試模型主要使用細(xì)胞系和動(dòng)物模型，但兩者在研究MTB感染時(shí)有許多局限性。而類器官在非臨床藥物篩查研究方面具備高通量、高特異性的特點(diǎn)［9］，如人腸道類器官用于抗輪狀病毒藥物測(cè)試，其有效劑量范圍相比細(xì)胞模型與人體測(cè)試結(jié)果更加接近［56］。此外，據(jù)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，即使經(jīng)過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)檢測(cè)確認(rèn)安全有效后，仍有高達(dá)90%的藥物在臨床人體試驗(yàn)中宣布失敗，而失敗的原因主要是缺乏與預(yù)期相符的療效或具有毒性［57］。因此，構(gòu)建能夠直接預(yù)測(cè)人類反應(yīng)的模型系統(tǒng)非常重要，可顯著減少新藥研發(fā)的時(shí)間和成本。基于人肺類器官建立的肺結(jié)核模型，將彌補(bǔ)傳統(tǒng)細(xì)胞和動(dòng)物模型的缺陷，為有效篩選抗結(jié)核藥物尤其是針對(duì)耐藥菌的抗結(jié)核藥物篩選提供新平臺(tái)。

4 面臨的挑戰(zhàn)

如上所述，人肺類器官在肺結(jié)核病發(fā)病機(jī)制、耐藥機(jī)制和共病研究及抗結(jié)核藥物篩選等方面具有巨大的潛力，但同樣也具有其局限性：①目前構(gòu)建的人肺類器官包含多種肺上皮細(xì)胞類型，缺乏內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和免疫細(xì)胞及血液循環(huán)，無法重現(xiàn)微環(huán)境對(duì)感染發(fā)生和進(jìn)展的影響［26］。器官芯片（organ on-chip）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)免疫細(xì)胞遷移和血液流動(dòng)，模擬氣-液-黏膜界面并再現(xiàn)MTB感染宿主的過程及關(guān)鍵病理生理特征，具有更好的臨床一致性［58］。②人肺類器官的培養(yǎng)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化方案，從而影響了其在感染性疾病研究中的效果。如使用化學(xué)成分不明確或力學(xué)結(jié)構(gòu)過于單一的細(xì)胞外基質(zhì)可能會(huì)影響細(xì)胞行為，包括生長(zhǎng)、增殖、遷移和分化等，從而有可能干擾肺結(jié)核病機(jī)制研究和抗結(jié)核藥物高通量篩選的結(jié)果［59］?？蒲腥藛T已經(jīng)在嘗試開發(fā)一些含有特定的生物物理和生化特性的人工合成基質(zhì)，用以取代各種生物來源的細(xì)胞外基質(zhì)［60］。構(gòu)建完善的人肺類器官將有助于更加客觀地認(rèn)識(shí)肺結(jié)核病的發(fā)病機(jī)制，成為抗結(jié)核藥物開發(fā)的高質(zhì)量平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)“終止結(jié)核病”的目標(biāo)發(fā)揮突出作用。