实验室肺：肺类器官对健康和疾病的影响

肺疾病是一个重大的公共卫生问题。然而，研究通过在实验室环境中开发译人肺系统的挑战阻碍。桑德拉·利贝尔博士，新生儿和加州大学圣地亚哥分校科学家医师和拉迪儿童医院圣地亚哥，美国正在研究肺发育和疾病的机制。为了做到这一点，她已经发展源自干细胞的肺组织体，微型肺部可在实验室中生长并用于重新创建肺部疾病，测试新的药物和了解肺部发育。

肺病死亡的美国第四大原因。所述疾病包括障碍如呼吸窘迫综合征，慢性阻塞性肺病，哮喘，肺癌，肺气肿和感染如流感，肺炎和肺结核。为了了解更多关于这些疾病，科学家需要能够在实验室中重建人类肺部。不过，也有以研究在实验室环境中的肺，包括模仿3D方向，细胞结构和血液供应的肺部会在现实生活中的设置时面临许多挑战。

肺器有机体
“类器官”一词是用来描述在实验室人工培育的更大器官的微缩、完美版本，但它与真正的器官非常相似。类器官来源于干细胞，干细胞具有独特的能力，可以分化成身体中的任何一种特殊细胞类型。在类器官中，干细胞分化为器官特异性细胞类型，这些细胞类型与相应的器官非常相似，并且能够重建一些与真正的器官相同的功能。有几种类型的器官已经在研究项目中出现，包括肠道、肝脏和神经器官。

加州大学圣地亚哥分校和美国圣地亚哥雷迪儿童医院的新生儿学家和内科科学家桑德拉·利贝尔博士正在研究如何做到这一点。她的目标是从干细胞中提取的肺类器官，可以用于肺发育和疾病的研究。这些类器官甚至包含许多在真正的肺中发现的相同类型的细胞。

莱博尔博士和她的团队已经使用了有机体来纠正遗传突变，解释细胞信号并鉴定对肺部发育很重要的生物标志物。它们还能够用各种不同的病毒感染有机体，以研究病毒使用的机制感染肺细胞，并寻找可用于打击肺部感染的潜在疗法。

为了了解更多关于这些疾病，科学家需要能够在实验室中重建人类肺部。

肺类器官的一个好处是它们可以与细胞来源的病人保持特定的匹配。诱导多能干细胞可以从皮肤或血液细胞中重新编程，并保留特定捐赠者的遗传印记，这意味着治疗可以个性化，以满足患者的个人需求。

肺类器官在实验室的生成
此前，难以研究从胎儿到新生婴儿的过渡到肺部的发展。然而，莱比埃尔博士和同事能够描述一种方法，可以用于创造从人干细胞中模拟肺部的开发和功能的3D结构。

这些细胞甚至分化成不同类型的特化肺细胞。这些特化细胞包括纤毛细胞，它们的作用就像微型刷子，清扫并带走任何吸入的颗粒或可能的病原体，分泌细胞，产生粘液和特化免疫分子，以及肺泡细胞，它们产生表面活性剂，维持肺部表面张力，防止肺泡(肺中的微小气囊)崩溃。

为了创建这些类器官，利贝尔博士使用两类人干细胞，这两者都可以在实验室中培养的：诱导的多潜能干细胞和胚胎干细胞。胚胎干细胞是从blastocycts衍生，即一个蛋是由精子受精后3-5天形成，并且具有分化成在所述主体（多能性）的每一个细胞类型的潜力的细胞，的中空球依赖于什么指令他们收到来自他们的环境。诱导多能干细胞是已经在实验室通过转换组织特异性细胞被工程化细胞放回细胞等胚胎干细胞的行为，即，它们成为多能一次。

干细胞首先在2D基质上生长，然后转移到一个可以生长成3D结构的系统中。如果有机体能够维持这种三维结构，产生表面活性剂的细胞就会发育;如果有机体暴露在气液界面，纤毛细胞和杯状细胞就会发育。利贝尔博士解释说，整个过程大约需要35天，因此需要仔细的计划。事实上，她的研究团队已经在研究新的方法，使这一过程更加自动化，减少劳动密集型，并产生更高的吞吐量。

这些肺器有机体有无穷无尽的用途，包括研究环境因素，肺部感染，或测试新药和新疗法治疗肺病的疗效和安全性。

也有可能从具有不同种族背景、年龄和疾病易感性的广泛个体中提取诱导多能干细胞。这将使各种各样的肺类器官被开发出来，然后可以用于，例如，探索为什么人们对病毒性呼吸道感染的反应不同，或测试新药对不同患者群体的疗效。

龙类器官在实践中
表面活性剂蛋白B（SP-B）是肺表面活性剂中发现的蛋白质;它重新排列在肺部流体中的其他分子，以允许肺泡和肺更容易地膨胀。缺乏SFTPB，与SP-B相关的基因导致严重的肺条件，包括早产婴儿的呼吸窘迫综合征。SFTPB缺陷也可能对新出生的术语婴儿致命。它是一种通常导致呼吸衰竭的遗传性疾病，在生命的第一年需要肺部移植。

利贝尔博士发表的研究成果表明，这种致命的肺部疾病可以在实验室中针对人类肺类器官进行靶向和纠正。为了做到这一点，科学家们首先需要使用来自SFTPB缺乏患者的诱导多能干细胞来培养肺类器官。然后，他们使用一种特殊设计的慢病毒，将SFTPB所需的基因转移到SFTPB缺陷的干细胞中。在这一步之后，研究小组能够证明除了产生功能性表面活性剂的细胞外，SP-B蛋白是由该器官的细胞产生的。

利贝尔博士的梦想是能够移植改变的肺细胞回患者。

然而，有些会在真正的肺中找到，如血管和免疫细胞的细胞，是不存在的组织体，这表明仍然有更多的工作要做。此外，虽然这种基因治疗方法是成功的在实验室培育的肺，它是目前尚不清楚如何将其转化为人类受试者。

然而，这提出了一种有希望的方法，可以应用于其他遗传肺疾病，如囊性纤维化。

对未来的憧憬
利贝尔博士的梦想是能够移植改变的肺细胞回患者。这有可能对预防或治疗疾病的潜力。例如，如果处于引起疾病的人的肺细胞突变，有缺陷的细胞可以与有突变基因编辑了新的肺细胞所取代，这意味着该人是不太可能很多开发肺病。

最终，人类肺类器官平台可以用来研究遗传性肺部疾病，并研究使用基因治疗来固定突变或引入新的突变来管理疾病。此外，类器官可以用来测试新药，并更多地了解肺发育和疾病的机制。