构建小鼠气道类器官模型，揭示早产儿气管上皮结构与功能差异

研究人员构建小鼠气道类器官模型，探究早产儿与足月儿气管上皮差异，为理解早产儿呼吸疾病易感性提供新视角。

　　

一、研究背景

在生命的奇妙旅程中，呼吸是奏响生命乐章的关键音符。对于早产儿来说，他们过早地开启了这段旅程，其呼吸系统的发育往往被打乱了正常节奏，这可能导致一系列不良呼吸问题，并且这些问题会伴随他们进入童年时期。

目前，科学界对于这些不良呼吸问题背后的机制尚未完全明晰。但有研究推测，气道上皮（呼吸道内表面的一层细胞组织，对呼吸功能至关重要）的内在异常或许在其中扮演着重要角色。过往关于气管上皮的研究，大多聚焦于疾病和感染模型，对于气道上皮在发育方面的探索相对较少。而且，在早产儿和足月儿功能性细胞群体的差异，以及这些差异与早产儿易患呼吸道疾病之间的潜在联系上，也没有形成统一的认知。

随着科技的进步，2014 年人类诱导多能干细胞（iPSC）技术的出现，为科研带来了新的曙光，它能够生成个性化的实验室模型。随后，更多快速生成的成体干细胞（AdSC）模型和各种培养基相继涌现，推动了类器官模型的发展。虽然小鼠肺类器官已在一些疾病研究中得到应用，但在早产儿和足月儿相关研究领域，它的潜力还未被充分挖掘。

在这样的背景下，四川大学华西第二医院的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Stem Cell Reviews and Reports》上。此次研究旨在评估早产儿和足月儿小鼠的气道特征，通过检测稳态下早产儿和足月儿气道中的细胞亚型、基因表达，以及病毒干预后的功能和炎症反应，来揭示二者之间的差异，为理解早产儿呼吸疾病易感性提供新的思路。

二、研究方法

研究人员选取了 C57/BL 小鼠，其中包括胚胎 16.5 天（E16.5，代表早产小鼠，对应人类肺发育的 16 - 26 周）和新生 0 天（P0，代表足月儿小鼠）的幼崽。他们从这些小鼠体内分离出气管上皮细胞，用于气道类器官的培养。

在培养过程中，对培养的类器官进行苏木精 - 伊红（HE）染色和免疫荧光（IF）染色，以此来观察类器官的生长情况和细胞结构。同时，运用 CFX96 实时荧光定量 PCR 系统检测上皮细胞经典基因的表达。为了探究早产儿气道对病毒的反应，研究人员使用了在 HEp - 2 细胞中培养的呼吸道合胞病毒（RSV）感染类器官，并通过液滴数字 PCR（ddPCR）监测 RSV 的拷贝数，采用定量实时聚合酶链反应（qRT - PCR）检测感染后相关基因的表达变化和免疫反应。

三、研究结果

1. 气道类器官的生长和细胞组成经过相同时间的培养，HE 和 IF 染色结果显示，气道类器官的生长与胎龄有关，随着胎龄增加而生长。染色后可以清晰看到纤毛结构，并且包括俱乐部细胞和纤毛细胞在内的所有功能性细胞围绕在气道上皮周围，KRT5?基底细胞环绕在基底层。对不同胎龄小鼠组织中上皮细胞经典基因表达检测发现，在 E16.5 早产组织中，FOXJ1（纤毛细胞标记基因）和 MUC5AC（杯状细胞标记基因）的表达高于 CC10（俱乐部细胞标记基因）。随着胎龄增加，CC10 表达水平升高并超过 FOXJ1 和 MUC5AC，到 P4 组时它们达到相对平衡。此外，早产组中基底细胞和纤毛细胞的标记基因表达高于足月儿组，而 CC10 的表达则较低。类器官细胞中经典基因和细胞的 IF 染色结果与气道组织中的一致。

2. 转录组分析对 E16.5 和 P0 小鼠样本进行转录组分析，发现两组之间存在差异表达基因（DEGs）。早产样本中的 DEGs 与炎症反应和 PI3K - Akt 信号通路相关，且 Wnt 家族的表达低于足月儿组，这表明在该模型中 Wnt 信号活性较低，可能意味着细胞更倾向于向纤毛细胞命运分化，以补偿纤毛发育不足。同时，早产样本的 DEGs 在基底细胞增殖（p53 信号通路）和病毒反应（COVID - 19 相关）方面也有富集，这与之前报道的早产儿对 SARS - CoV - 2 易感性较高的研究结果相符。

3. 病毒感染反应为了检测早产气道是否具有过度活跃的病毒反应表型，研究人员用 RSV 感染类器官。结果发现，感染后的类器官变得紧实。IF 染色显示，早产感染比足月感染更严重，在共聚焦 3D 扫描下，早产感染的 RSV 信号更强，RSV 阳性细胞数量更多。ddPCR 结果表明，小鼠气道类器官在感染后 24 小时受影响最严重，且感染严重程度随着幼崽年龄的增加而降低，即出生时胎龄越小，感染越严重。不过，P4 组的差异可能反映了类器官模型未完全重现的细胞组成或免疫反应差异，还需进一步研究。qRT - PCR 检测发现，早产气道类器官的基底细胞表达水平显著升高，而俱乐部细胞的功能标记基因 CC10 和杯状细胞的 MUC5AC 转录水平均低于足月儿气道类器官。在免疫反应方面，qRT - PCR 结果显示足月儿类器官在感染病毒后，IL - 6（p<0.05）和 TNF 的转录水平高于早产组，但在检测培养基上清液中炎症因子的液相芯片免疫分析中未发现特异性差异，其相关信号通路和机制尚不清楚，还需要更多研究和样本进行探究。

四、研究结论与意义

这项研究成功构建了早产小鼠气道类器官模型，通过该模型揭示了早产儿和足月儿气道上皮在结构和功能上的差异。这些发现为深入理解早产儿呼吸疾病易感性提供了新的视角，有助于进一步探索早产儿呼吸疾病的发病机制，为开发针对性的预防和治疗策略奠定了基础。

尽管目前对于一些现象背后的信号通路和机制还不完全清楚，但此次研究成果无疑为后续研究指明了方向。未来，研究人员可以基于这些发现，进一步深入探究早产气道疾病的相关问题，有望为改善早产儿呼吸健康带来新的突破。