[发明专利]一种诱导肺类器官的方法及实验模型的建立

说明书

本发明提供一种经济简便肺类器官的培养方法和实验模型，涉及生物技术领域，所述方法是利用GFP标记肺上皮细胞的转基因小鼠，通过流式细胞仪分选肺上皮细胞和间质细胞，然后将分选的肺上皮细胞和间质细胞在Transwell分隔成的上层小室和下层小室中共同培养，利用下层小室内间质细胞分泌的生长因子和生物组分，促使上层小室中的上皮细胞生长发育成肺类器官。本发明方法模拟体内细胞自然生长环境和方式，可以实现在不添加外源生长因子的情况下获得肺支气管类器官。所述小鼠肺类器官可以作为实验模型，用于肺发育过程、细胞分化、肺脏毒理、药物筛选和器官再生和移植等研究的用途。

技术领域

本发明涉及生物技术领域，尤其涉及体外诱导小鼠肺类器官的方法及实验模型和所用培养基组合。

背景技术

随着生命科学的发展，体外复制和重建肺类器官已成为研究肺脏发育、疾病发生、药物筛选、器官移植、精准治疗等领域的重要研究方向之一。肺类器官是在体外用三维(3D)培养技术对干细胞或肺脏祖细胞进行诱导分化形成的在结构和功能上都类似于肺脏的小型组织，其具有稳定的表型和遗传学特征，能够在体外长期培养。相对于三维(2D)细胞培养模型，3D培养的肺类器官包含多种细胞类型，突破了细胞间单纯的物理接触联系，促使细胞间协作发育并形成具有功能的微肺脏组织，使我们有机会在生理学相关背景下更好地理解器官组织的发生过程及生理病理状态，因而在肺脏相关的基础研究以及肺部疾病临床研究方面具有广阔的应用前景。

目前，利用人类多能干细胞(human pluripotent stem cell,hPSC)或肺脏组织祖细胞，已经成功诱导出呼吸系统类器官，并且这些类器官可以模拟呼吸道以及肺部功能。2015年，科学家首次从人类干细胞获得了首个肺类器官(见参考文献1)。2017年5月，哥伦比亚大学医学中心的Hans-Willem Snoeck教授及其研究团队刊登在《Nature Cell Biology》上的研究显示，利用人多能干细胞可以生成肺部的类器官，这些类器官包含分支气道和肺泡结构，与人类肺组织相似(见参考文献2-3)。2020年11月，来自美国威尔康奈尔医学院、芝加哥大学、哥伦比亚大学和中国上海交通大学等研究机构的研究人员在《Nature》上报道，他们利用hPSC开发出一种新的肺部类器官，并利用这种类器官进行SARS-CoV-2生物学特性和药物筛选研究，确定了抗COVID-19的候选药物(见参考文献4)。在小鼠类器官研究方面，杜克大学医学中心的Brigid L M Hogan团队以及Wellington V Cardoso实验室，通过诱导小鼠的气道区域干细胞，在体外培养形成中空球形的肺类器官，经过诱导分化后，类器官含有具有分泌功能的Clara细胞和具有清扫功能的纤毛细胞(见参考文献5-7)。利用从小鼠上支气管分离出的基底细胞在数周内成功培养构建肺类器官模型，建立了类器官癌症模型，并同时对类器官的正常和组织修复状态分别进行分子生物学分析(见参考文献8-9)。这些研究表明，肺类器官培养模型的建立，使人们在肺脏基础研究和疾病药物筛选等方面的取得了显著的科学进步。

综上所述，肺类器官有传统细胞和动物模型不可比拟的优势，在肺发育过程、细胞分化、肺脏毒理、药物筛选和器官再生和移植等领域有广泛的应用前景。但是，由于肺类器官是由单个细胞在体外发育分化形成的，在培养过程中缺乏肺脏组织的生理环境，需要人为添加多种生长因子和化学组分，创造类似于肺间质细胞存在的微环境。而多数需要的生长因子和生物组分不仅价格昂贵难以获得，而且其有效成分和活性没法保障，导致目前肺类器官培养存在培养成本高，对培养技术要求高的问题，严重限制了其在多个研究领域的应用。

参考文献如下：

1.Dye,B.R.,et al.(2015).In vitro generation of human pluripotentstem cell derived lung organoids.eLife 4.