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肺类器官

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近年来,干细胞和祖细胞谱系的识别以及这些细胞在成人体内的活动的相关研究发展很快。相对而言,分子水平的信号通路对细胞行为的调控方面的研究发展缓慢。  普遍认为,个体发育过程中使用的主要分子信号通路在肺部细胞修复过程中被激活而发挥着重要作用,但是这些观点需要进一步在生理或临床相关实验模型上测试证明。近几年流行起来的体外类器官培养(支气管类器官和肺泡类器官)系统为解决呼吸干/祖细胞领域的问题以及进行囊性纤维化等疾病造模、药物筛查提供了最佳的技术支撑和研究平台。

人体呼吸道可分为传导区和呼吸区。传导区包括鼻腔通道、气管、主支气管、肺内支气管和细支气管,具有加温、湿润、过滤等保护功能,不参与换气流程。呼吸区是肺腔内吸入的空气与肺毛细血管中的血液进行换气(经肺通气进入人肺泡的新鲜空气与血液进行气体交换,氧气从肺泡顺着分压差扩散到静脉血,而静脉血中的二氧化碳,则向肺泡扩散)的场所1,2

虽然呼吸道各主要部位均可以建模,但是肺泡细胞的体外培养由于组织结构的复杂程度及难获得性目前尚未有成熟的培养方法。临床和基础科学应用将主要精力集中在支气管上皮细胞,这可能是因为很多病症均是因为此部位的细胞遭到破坏,例如哮喘及囊性纤维病变(Cystic Fibrosis),并且研究人员能够很容易地通过鼻毛刷法或支气管镜获取此部位的原代细胞样本。呼吸道上皮细胞的体外培养对离体研究呼吸道的生理功能,  呼吸道疾病的致病机制以及诊疗都具有重要意义。

体外扩增


呼吸道上皮细胞分离后接种在细胞培养皿里,在专门的上皮细胞扩增培养基里, 基底干细胞会贴付存活并快速增殖传代。早期传代(P1-5)的基底细胞具有分化能力, 如果接种到分化培养体系里可以分化产生纤毛细胞、杯状细胞、基底细胞等多种细胞, 并由细胞分泌的粘液覆盖, 产生类似于体内生理结构和功能的假复层粘液纤毛柱状上皮组织。

气液界面培养(Air-Liquid Interface, ALI)


在此模型中,从鼻腔或支气管刷上获取人体的支气管上皮细胞,或是从供体组织上分离出上皮细胞,经传代扩增后接种到0.4μm Transwell培养皿中。诱导细胞分化的过程,首先需要让通透膜上培养的细胞增殖直至其完全融合,然后移去增殖培养基,只在底层小室换上分化培养基,这样顶层小室的细胞表面暴露在空气中,细胞底部通过多孔通透膜接触分化培养基,继续培养直至其完全分化成假复层粘液纤毛柱状上皮细胞(与原生人体呼吸道相似),整个分化维持过程大约需要21-28天。此模型系统适用于吸入毒理学,药物筛选以及基础研究等一系列应用3。和活体动物实验比较,使用此类模型的好处是费用低廉、易于操作。

肺类器官培养


将分离出的呼吸道上皮细胞种在半固体Matrigel®基质中培养成三维球状形态。在此模型中,单个细胞可以克隆增殖生长成为三维球状形态,被称之为支气管类器官培养2,4-6。类器官培养可以不依赖Transwell™通透性培养皿, 所以可以成为大规模高效筛选的极具吸引力的备选系统。

培养基图片

PneumaCult™-Ex, catalog(货号 #05008)

不依赖饲养层,不含血清及牛垂体提取物(BPE)的培养基,从而彻底解决了这个问题:在扩增培养期间,研究人员可以扩增细胞至更高的代数,并且在随后的气-液 界面(ALI)培养期间,保持黏膜纤毛分化的潜能。

PneumaCult™-ALI Medium(货号#05001)

成份明确,不含血清及牛脑垂体提取物(BPE)的培养基,用于在气液界面下培养人气道上皮细胞。培养在 PneumaCult™-ALI 中的气道上皮细胞经历纤毛分化从而形成类似于人体内形态和功能的假复层上皮。 PneumaCult™-ALI培养基在3D培养系统中支持分化不同的气道上皮细胞


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肺类器官培养其它试剂


Lung肺
细胞来源相关细胞因子相关培养基文献
PSCActivin AFGF-4, FGF basicNoggin, SHHRPMI1640, Advanced DMEM/F12Dye, BR., et al., Elife. 2015
PSCFGF basicAdvanced DMEM/F12Wilkinson, DC., et al., Stem Cells Translational Medicine. 2016

参考文献


1. Berube K, et al. Altern Lab Anim 37: 89-141, 2009

2. Crystal RG, et al Proc Am Thorac Soc 5: 772-777, 2008

3. Barkauskas CE, et al. J Clin Invest 123: 3025-3036, 2013

4. Borok Z, et al. Proc Am Thorac Soc 8: 215-222, 2011

5. Hogan BL, et al. Cell Stem Cell 15: 123-138, 2014

6. Kotton DN and Morrisey EE. Nat Med 20: 822-832, 2014


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