类器官的构建与应用——气管
气管是呼吸系统的重要组成部分,整体呈管状,上通喉头下分支接肺,不仅能作为空气的通道,还可以具有防御、清除异物、调节空气温度和湿度的作用。常会由于细菌或病毒的感染引起炎症,常见疾病包括咳嗽和哮喘等。2019年至今,新型冠状病毒(COVID-19)肆虐全球,其感染的主要病状就是急性呼吸系统综合征。在这一时期，有关气管的研究也逐步加深。作为新型医学或检验学手段,气管/支气管类器官手段研究蓬勃发展。
众所周知,新冠病毒导致急性呼吸系统综合征外,还包括严重肺炎在内的致命疾病。为了开发新冠病毒治疗药物,必须建立能够重现病毒生命周期并评估抗病毒药物疗效的模型。日本京都大学的干细胞生物学家Kazuo Takayama团队在2020年成功构建了可用于 SARS-CoV-2 研究和 COVID-19 药物发现的支气管类器官(hBO)。研究发现,用SARS-CoV-2感染支气管类器官时发现病毒主要攻击类器官中的干细胞,而这些干细胞是基底细胞的来源,同时他们发现病毒不易进入分泌保护性因子的细胞区域。该模型的研究快速推进了新冠肺炎的治疗进程[1]。
支气管类器官(hBO)的构建及应用[1]
气管类器官构建
人支气管类器官 (hBO) 的生成[3]
构建不同类型类器官的基本原理和方法是相似的,而气管类器官的构建有其一定差异和难度：
1. 细胞来源：使用气管和支气管上皮细胞进行构建,通常从干细胞或成体组织中获得；并实现有效分化和定向分化有一定挑战。
2. 生物材料选择：气管类器官的构建可能需要使用具有适当弹性和生物相容性的材料,比如天然材料（如胶原蛋白、明胶等）或合成材料（如聚己内酯、聚乳酸等),以模拟真实的气道组织。
3. 组织工程方法：涉及组织工程方法,如细胞种植、支架构建和生物力学刺激。细胞种植可以通过单层或多层细胞培养来实现,以形成气道上皮细胞层。
4. 功能特点：气管类器官的构建旨在模拟真实的气道组织,并具有类似的结构和功能特点。这包括具有纤毛和粘液细胞的上皮层,以及能够清除异物和维持呼吸道通畅的能力。
气管类器官的应用
中国科学院微生物研究所毕玉海研究员团队分别与清华大学陈晔光院士团队、中国农业大学吴森教授团队合作,在2021年成功建立了人远端支气管类器官和新冠病毒受体hACE2转基因猪模型,为SARS-CoV-2/COVID-19发病机制的深入研究、精准治疗、疫苗和药物有效性及安全性测试提供了新的可靠的感染模型[2]。
在新冠疫情后期,人们的免疫系统越来越完善,病毒感染对广大人民群众造成的威胁逐渐减小,但是由于病毒感染造成的后遗症的治疗仍然是一件棘手问题。2022年京都大学iPS细胞研究所（CiRA）的高山和雄研究团队,与大阪大学微生物病研究所的冈本彻教授研究团队宣布,开发出了源自可有效感染新冠病毒（SARS-CoV-2）的支气管类器官新模型“BO-ALI”。该模型的研发与应用为快速治疗新冠感染和新冠呼吸道类后遗症提供了重要方式[3]。
BO-ALI感染SARS-CoV-2研究[3]
到2022年8月之后,BA.5成为全球主要流行的变异株。大量研究表明，BA.5相比之前的变异株更容易逃避抗体的中和,导致免疫逃逸,从而增加了在免疫人群中感染或再次感染的机会。2023年4月17日，香港大学微生物系周婕/袁国勇教授团队,联合Hans Clevers教授及复旦大学姜世勃教授共同合作,利用人呼吸道类器官模型,评估Omicron BA.5及其他变异株在人体呼吸道细胞的感染和复制能力的改变。研究发现SARS-CoV-2变异株增强了在人类呼吸道上皮细胞中的复制能力,使得病毒的在人群中的感染传播能力大大增强。该研究加强了对新冠病毒变异株的了解,为防治新型冠状病毒变异株提供了宝贵方法与治疗靶点[4]。
在新冠肺炎已经常态化的今天,仿佛过去的一切都已经久远,但是那份在紧急时刻互帮互助和团结一心的精神并没有丝毫变化。在科学研究方面,类器官的研究与发展还需要进一步探索,我国在类器官研究方向上的潜力无穷。
参考文献
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