類器官作為一種具有獨特優勢的體外研究模型，在生物醫學領域中越來越廣泛地應用。大多數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院的研究人員透過培養多能幹細胞衍生的人結腸類器官（HCO）共同發育出多種免疫細胞群，包括造血內皮（HE）樣細胞和紅骨髓祖細胞，它們經歷典型的分化步驟，從而產生功能性巨噬細胞。該研究題為“Development of functional resident macrophages in human pluripotent stem cell-derived colonic organoids and human fetal colon”，發表在《Cell Stem Cell》雜誌。
來源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002
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。大多數腸道疾病，特別是炎症性腸病（IBD），都與免疫系統有關。以往的研究認為腸道的大多數免疫細胞，包括常駐巨噬細胞，都源自骨髓源性造血幹細胞(HSC)。然而動物研究發現：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髮育過程中獨立於造血幹細胞而產生。人類胎兒結腸內組織駐留巨噬細胞的胚胎髮育的研究尚未報道。
儘管在從人類多能幹細胞（hPSCs）衍生免疫細胞型別和類器官方面取得了單獨的進展，但含有共同發育的組織駐留免疫細胞的人類胃腸道類器官的構建仍待進一步研究。在這篇研究中，作者構建了hPSC分化為含有造血內皮樣細胞和一系列造血細胞型別的人結腸類器官(HCO)。
研究人員首先構建了人結腸類器官HCO。HCO含有結腸上皮和周圍的間充質衍生物，包括成纖維細胞、肌成纖維細胞和平滑肌細胞。RUNX1標誌著造血內皮中的造血祖細胞，毗鄰發育中的結腸，胚胎本身的主動脈-性腺-中腎(AGM)區域是形成HPC的主要位點之一。研究人員發現在E10.5小鼠胚胎中，AGM區域的內皮細胞包含新興的RUNX1+HPC簇。此外，從第21天的HCO中分離出CD34+細胞，並顯示其經歷了類似內皮向造血轉變的過程。總的來說，這些資料表明HCO培養物含有造血內皮樣細胞和相關的RUNX1+細胞。
來源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002
為了表徵HCO培養物中的造血潛力，研究人員進行了轉錄、形態學和功能分析。對從第21-28天HCO的培養基中收穫的細胞紡絲細胞進行吉姆薩染色，主要鑑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、嗜酸性粒細胞和嗜鹼性粒細胞樣細胞。為了檢查HCO中的紅骨髓祖細胞(EMP)，研究人員進行了Methocult測定，發現HCO培養物含有形成ErP、骨髓和混合骨髓(MM)集落的祖細胞。總之，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。
來源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002
為了確定HCO相關造血細胞是否分化為類似於人類胚胎中的巨噬細胞，研究人員對HCO巨噬細胞發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體中，從祖細胞到巨噬細胞有明顯的進展，結果發現HCO中造血祖細胞向巨噬細胞的分化在轉錄上類似於人類胎兒造血，並且類似地表現出骨髓分化偏向。
來源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002
進一步研究發現，在體外HCO培養物中共同發育的巨噬細胞獲得了類似於體內對應物的組織駐留轉錄特徵。研究人員發現HCO巨噬細胞的一個子集表達炎症細胞因子，新增炎症抑制細胞因子IL-10可以抑制這些促炎細胞因子的分泌，表明體內IL-10介導的免疫耐受機制在HCO培養物中是保守的，並且HCO相關巨噬細胞可以對LPS產生快速而強烈的炎症反應，導致上皮壞死。
透過研究HCO巨噬細胞的吞噬功能，作者發現來自HCO的巨噬細胞是功能性常駐型巨噬細胞，能夠對細菌顆粒和活細菌做出反應。最後，作者研究了這些巨噬細胞在長期HCO發育過程中是否繼續保持駐留，將其再移植了4個月，其在組織學和轉錄上類似於人類胎兒小腸和結腸，最後研究人員發現，HCO可以產生並非源自 HSC的自我維持巨噬細胞。
來源：DOI:https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.10.002
該研究資料表明，HCO環境為多能骨髓祖細胞的發展提供了必要的線索，轉錄證據支援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，因為培養物中的內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中持續存在的單核細胞和巨噬細胞的穩健骨髓分化。
HCO巨噬細胞獲得了類似於人類胎兒小腸和大腸組織駐留巨噬細胞的轉錄特徵，這些巨噬細胞響應促炎和抗炎訊號調節細胞因子分泌，並且能夠吞噬病原菌並對病原菌產生強烈反應。當移植到小鼠體內時，HCO巨噬細胞保留在結腸類器官組織內，與結腸上皮建立了密切的聯絡，並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.
文章來源：“生物谷”
責編|探索君
排版|探索君
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