干细胞模型研究新冠肺炎大集锦

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

原创 Cell Press CellPress细胞科学

干细胞模型研究新冠肺炎大集锦

生命科学
Life science
造成新冠肺炎大流行的SARS-CoV-2病毒首要靶向呼吸道上皮并导致急性呼吸窘迫综合征。过去几个月的临床研究表明，新冠肺炎可能导致患者体内多个器官功能障碍。不同器官系统的干细胞模型-包括肺、肠、心脏和大脑等-可以作为直接研究新冠肺炎多器官功能受损的利器。近日，Cell Press细胞出版社期刊Cell Stem Cell 发表一期特刊，重磅推出了一系列使用干细胞模型作为平台对新冠肺炎进行研究的论文。
我们特意攫取了其中的若干，摘要如下。
以下中文内容仅供参考，请以英文原文为准。

干细胞模型研究新冠肺炎大集锦

人类多能干细胞衍生的神经细胞和大脑类器官，揭示了新冠病毒主要感染脉络丛上皮的神经向性

干细胞模型研究新冠肺炎大集锦

神经系统并发症在COVID-19患者很常见。尽管在一些患者的大脑中发现了导致COVID-19的病原体SARS-CoV-2，但它感染脑细胞并影响脑细胞功能的能力尚不清楚。研究组研究了人类诱导多能干细胞（hiPSC）来源的单层脑细胞和区域特异性大脑类器官对SARS-CoV-2感染的易感性。他们发现神经元和星形胶质细胞很少被感染，但脉络丛上皮细胞发生了强烈感染。研究组优化了由hiPSCs生成脉络丛类器官的实验方案，发现这些类器官中SARS-CoV-2的高效感染与细胞死亡增加和转录失调相关，这些现象提示炎症反应的存在和细胞功能缺陷。综上所述，研究组的发现为SARS-CoV-2的选择性嗜神经性提供了证据，并支持使用hiPSC来源的大脑类器官作为平台来进行脑细胞的SARS-CoV-2感染易感性、病毒诱导脑功能障碍的机制以及治疗策略的研究。
SARS-CoV-2感染大脑脉络丛，破坏人脑类器官中的血-脑脊液屏障

干细胞模型研究新冠肺炎大集锦

由SARS-CoV-2引起的COVID-19可导致致命性的呼吸系统症状。然而，在一些患者中也观察到神经系统症状。这些并发症的原因目前尚不清楚。研究组使用人多能干细胞来源的大脑类器官来检测SARS-CoV-2的嗜神经性。他们发现病毒受体ACE2在表达丰富脂蛋白的成熟脉络丛细胞中表达，但在神经元或其他类型的细胞中不表达。研究组用SARS-CoV-2刺突假病毒和活病毒来攻击类器官，以证明其对脉络丛上皮细胞具有病毒嗜性，但很少或不会引起神经元或胶质细胞感染。研究组发现感染的细胞是脉络丛上皮屏障中表达载脂蛋白和ACE2的细胞。最后，研究组发现感染SARS-CoV-2会损害脉络丛上皮，导致这一重要屏障的渗漏，而这一屏障通常能阻止病原体、免疫细胞和细胞因子进入脑脊液和大脑。
SARS-CoV-2感染多能干细胞来源的II型肺泡细胞并引发快速的上皮内源炎症反应

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重症COVID-19肺炎的一个标志是肺泡兼性祖细胞，即II型肺泡上皮细胞（AT2s）感染SARS-CoV-2。然而，由于无法从患者身上获取这些细胞，特别是在疾病的早期阶段，因此人们对疾病发生的理解受到限制。研究组展示了一个体外模型，通过已经适应了气-液界面培养的人诱导多能干细胞来源的AT2s模拟了SARS-CoV-2对肺泡上皮细胞的最初感染。研究组在感染细胞中发现了一类快速的转录变化，特点是向炎症表型转变，包括NF-κB信号转导上调和成熟的肺泡程序的消失。药物测试证实了瑞德西韦和TMPRSS2蛋白酶抑制的有效性，验证了病毒进入肺泡细胞的假定机制。研究组的模型系统揭示了关键的肺靶细胞对SARS-CoV-2感染的细胞内在反应，有助于药物研发。
基于人肺干细胞的肺泡微球有助于理解SARS-CoV-2介导的干扰素反应和肺细胞功能障碍

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冠状病毒感染引起弥漫性肺泡损伤并导致急性呼吸窘迫综合征。人类肺泡上皮体外模型的缺失阻碍了对COVID-19发病机制的理解。研究组报道了一种无饲养层、可扩展、化学定义和模块化的肺泡培养系统，用以肺组织为来源的人II型肺泡细胞/肺细胞的增殖和分化。培养的肺细胞表达SARS-CoV-2受体血管紧张素转换酶II（ACE2），并可被病毒感染。被感染肺泡微球的转录组和组织学分析可反映COVID-19肺的特征，包括干扰素（IFN）介导的炎症反应的出现、表面活性蛋白的丢失和细胞凋亡。用干扰素治疗被感染的肺泡微球可重现病毒感染特征，包括细胞死亡。相比之下，经低剂量干扰素预处理的肺泡微球细胞显示病毒复制减少，这表明干扰素对SARS-CoV-2具有预防作用。因此，基于人类干细胞的肺泡微球培养系统为COVID-19的发病机制提供了新的见解，并且可以作为研究人类呼吸系统疾病的模型。
人肺泡干细胞三维培养模型揭示SARS-CoV-2感染反应

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造成当前大流行的SARS-CoV-2感染人II型肺泡（hAT2）细胞。阐明发病机理对于疫苗和治疗方法的开发至关重要。然而，能够反映hAT2细胞生理和病理模型的缺乏限制了这类研究。研究组开发了一种无饲养层细胞、长期、三维（3D）的培养技术，用于培养来自人原发肺组织的hAT2细胞，并研究其对SARS-CoV-2的感染反应。通过基于影像学的分析和单细胞转录组分析，研究组发现病毒在被感染的hAT2细胞中快速复制，同时干扰素相关基因和促炎基因的表达增加，表明强烈的内源性先天免疫应答。通过进一步追踪病毒在传播过程中的突变，研究组发现一次病毒的入侵即可实现单个细胞的完全感染。该研究为SARS-CoV-2的发病机制以及3D hAT2培养系统作为呼吸道疾病模型的应用提供了深入的见解。
雄激素信号调节SARS-CoV-2受体水平，与男性重症COVID-19症状相关

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SARS-CoV-2感染已造成全球卫生危机，但研究组对这种疾病及其潜在的治疗方案的理解仍然有限。感染是通过病毒与细胞膜上的血管紧张素转换酶II（ACE2）结合而发生。研究组建立了一种筛选策略，用于发现能够降低人类胚胎干细胞（hESC）来源的心脏细胞和肺类器官中ACE2水平的药物。对命中化合物的靶点分析显示雄激素信号是ACE2水平的关键调控因子。抗雄激素药物的治疗降低了ACE2的表达，保护hESC来源的肺类器官免对抗SARS-CoV-2感染。最后，COVID-19患者的临床数据表明，与雄激素升高相关的前列腺疾病是高危因素，而增加雄激素水平的基因变异与疾病的严重程度相关。这些发现为男性疾病易感性更高的机制提供了见解，并确定了抗雄激素药物可作为COVID-19的候选治疗方案。
直接暴露于SARS-CoV-2和香烟烟雾会增加感染的严重程度，并改变干细胞的呼吸道修复反应

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吸烟与重症COVID-19的风险增加有关，但尚不清楚香烟烟雾（CS）如何影响SARS-CoV-2呼吸道细胞感染。研究组将气液界面（ALI）培养的非吸烟者原始呼吸道基底干细胞（ABSCs）直接短期暴露于CS中，然后用SARS-CoV-2使其感染。研究组发现在暴露于CS后，感染的呼吸道细胞数量增加，ABSC增殖减弱。培养物的单细胞分析显示，暴露于CS后，感染后正常的干扰素反应降低。用干扰素β-1治疗暴露于CS的ALI培养物可消除病毒感染，提示了更严重病毒感染的一个潜在机制。研究组的数据显示，急性CS暴露可通过降低固有免疫反应和ABSC增殖而引发SARS-CoV-2感染后更加严重的呼吸道上皮病变，这对暴露于CS人群的疾病传播和严重程度有启示意义。
寨卡病毒NS5的多聚化导致纤毛类疾病并迫使神经发生过早

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寨卡病毒（ZikV）是一种感染神经组织、导致先天性小头畸形的黄病毒。ZikV已经进化出多种机制来限制细胞增殖，增加细胞死亡，但是其涉及的潜在细胞事件仍不完全清楚。研究组发现ZikV-NS5蛋白与神经祖细胞初级纤毛基部的宿主蛋白相互作用，导致非典型的非遗传性纤毛类疾病和神经元过早分层。此外，在小头畸形胎儿脑组织中，ZikV-NS5持续存在于室管膜细胞的运动纤毛基部，也表现出严重的纤毛类疾病。尽管ZikV-NS5的酶活性似乎是非必需的，但参与NS5寡聚的氨基酸Y25、K28和K29对于定位和与纤毛基底成分的相互作用、造成纤毛类疾病和神经发生过早是必不可少的。这些发现为靶向ZIKV-NS5多聚化和预防先天性Zika综合征相关的发育畸形的治疗奠定了基础。