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來源：生物谷
類器官作為一種具有獨特優(yōu)勢的體外研究模型，在生物醫(yī)學領(lǐng)域中越來越廣泛地應(yīng)用。大多數(shù)器官都有組織駐留的免疫細胞。人類類器官缺乏這些免疫細胞，這限制了它們在模擬許多正常和疾病過程中的效用。
為了解決上述問題，來自美國辛辛那提兒童醫(yī)院的研究人員通過培養(yǎng)多能干細胞衍生的人結(jié)腸類器官（HCO）共同發(fā)育出多種免疫細胞群，包括造血內(nèi)皮（HE）樣細胞和紅骨髓祖細胞，它們經(jīng)歷典型的分化步驟，從而產(chǎn)生功能性巨噬細胞。該研究題為“Development of functional resident macrophages in human pluripotent stem cell-derived colonic organoids and human fetal colon”，發(fā)表在《Cell Stem Cell》雜志。
成人胃腸(GI)道中存在著不同的免疫細胞群，包括骨髓細胞和淋巴細胞。大多數(shù)腸道疾病，特別是炎癥性腸?。↖BD），都與免疫系統(tǒng)有關(guān)。以往的研究認為腸道的大多數(shù)免疫細胞，包括常駐巨噬細胞，都源自骨髓源性造血干細胞(HSC)。然而動物研究發(fā)現(xiàn)：許多器官含有一群組織駐留巨噬細胞，這些巨噬細胞在胚胎發(fā)育過程中獨立于造血干細胞而產(chǎn)生。人類胎兒結(jié)腸內(nèi)組織駐留巨噬細胞的胚胎發(fā)育的研究尚未報道。
盡管在從人類多能干細胞（hPSCs）衍生免疫細胞類型和類器官方面取得了單獨的進展，但含有共同發(fā)育的組織駐留免疫細胞的人類胃腸道類器官的構(gòu)建仍待進一步研究。在這篇研究中，作者構(gòu)建了hPSC分化為含有造血內(nèi)皮樣細胞和一系列造血細胞類型的人結(jié)腸類器官(HCO)。
研究人員首先構(gòu)建了人結(jié)腸類器官HCO。HCO含有結(jié)腸上皮和周圍的間充質(zhì)衍生物，包括成纖維細胞、肌成纖維細胞和平滑肌細胞。RUNX1標志著造血內(nèi)皮中的造血祖細胞，毗鄰發(fā)育中的結(jié)腸，胚胎本身的主動脈-性腺-中腎(AGM)區(qū)域是形成HPC的主要位點之一。研究人員發(fā)現(xiàn)在E10.5小鼠胚胎中，AGM區(qū)域的內(nèi)皮細胞包含新興的RUNX1+HPC簇。此外，從第21天的HCO中分離出CD34+細胞，并顯示其經(jīng)歷了類似內(nèi)皮向造血轉(zhuǎn)變的過程?？偟膩碚f，這些數(shù)據(jù)表明HCO培養(yǎng)物含有造血內(nèi)皮樣細胞和相關(guān)的RUNX1+細胞。
為了表征HCO培養(yǎng)物中的造血潛力，研究人員進行了轉(zhuǎn)錄、形態(tài)學和功能分析。對從第21-28天HCO的培養(yǎng)基中收獲的細胞紡絲細胞進行吉姆薩染色，主要鑒定出免疫祖細胞以及單核細胞和巨噬細胞樣細胞，以及罕見的中性粒細胞、嗜酸性粒細胞和嗜堿性粒細胞樣細胞。為了檢查HCO中的紅骨髓祖細胞(EMP)，研究人員進行了Methocult測定，發(fā)現(xiàn)HCO培養(yǎng)物含有形成ErP、骨髓和混合骨髓(MM)集落的祖細胞?？傊?，在HCO中觀察到的早期造血祖細胞和譜系與人類胚胎早期造血過程中觀察到的非常相似。
為了確定HCO相關(guān)造血細胞是否分化為類似于人類胚胎中的巨噬細胞，研究人員對HCO巨噬細胞發(fā)育的三個不同時間點（即第22天、第28天和第37天）進行了scRNA-seq分析。這三個時間點聚集在一個連續(xù)體中，從祖細胞到巨噬細胞有明顯的進展，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HCO中造血祖細胞向巨噬細胞的分化在轉(zhuǎn)錄上類似于人類胎兒造血，并且類似地表現(xiàn)出骨髓分化偏向。
進一步研究發(fā)現(xiàn)，在體外HCO培養(yǎng)物中共同發(fā)育的巨噬細胞獲得了類似于體內(nèi)對應(yīng)物的組織駐留轉(zhuǎn)錄特征。研究人員發(fā)現(xiàn)HCO巨噬細胞的一個子集表達炎癥細胞因子，添加炎癥抑制細胞因子IL-10可以抑制這些促炎細胞因子的分泌，表明體內(nèi)IL-10介導(dǎo)的免疫耐受機制在HCO培養(yǎng)物中是保守的，并且HCO相關(guān)巨噬細胞可以對LPS產(chǎn)生快速而強烈的炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致上皮壞死。
通過研究HCO巨噬細胞的吞噬功能，作者發(fā)現(xiàn)來自HCO的巨噬細胞是功能性常駐型巨噬細胞，能夠?qū)毦w粒和活細菌做出反應(yīng)。最后，作者研究了這些巨噬細胞在長期HCO發(fā)育過程中是否繼續(xù)保持駐留，將其再移植了4個月，其在組織學和轉(zhuǎn)錄上類似于人類胎兒小腸和結(jié)腸，最后研究人員發(fā)現(xiàn)，HCO可以產(chǎn)生并非源自 HSC的自我維持巨噬細胞。
該研究數(shù)據(jù)表明，HCO環(huán)境為多能骨髓祖細胞的發(fā)展提供了必要的線索，轉(zhuǎn)錄證據(jù)支持多能造血祖細胞和淋巴祖細胞的存在。這些祖細胞的存在是短暫的，因為培養(yǎng)物中的內(nèi)源性因子促進了從造血祖樣細胞到單核細胞祖細胞到成髓細胞到最終在傳代HCO中持續(xù)存在的單核細胞和巨噬細胞的穩(wěn)健骨髓分化。
HCO巨噬細胞獲得了類似于人類胎兒小腸和大腸組織駐留巨噬細胞的轉(zhuǎn)錄特征，這些巨噬細胞響應(yīng)促炎和抗炎信號調(diào)節(jié)細胞因子分泌，并且能夠吞噬病原菌并對病原菌產(chǎn)生強烈反應(yīng)。當移植到小鼠體內(nèi)時，HCO巨噬細胞保留在結(jié)腸類器官組織內(nèi)，與結(jié)腸上皮建立了密切的聯(lián)系，并且不會被宿主骨髓來源的巨噬細胞取代。這些研究表明，HCO中的HE產(chǎn)生多能造血祖細胞和功能性組織駐留巨噬細胞。總之，這項研究為生成含有常駐免疫細胞的其他人體類器官系統(tǒng)提供了一個框架。
參考文獻：Múnera JO, Kechele DO, Bouffi C, et al. Development of functional resident macrophages in human pluripotent stem cell-derived colonic organoids and human fetal colon. Cell Stem Cell. 2023 Nov 2;30(11):1434-1451.e9. doi: 10.1016/j.stem.2023.10.002. PMID: 37922878.