人肺类器官衍生模型揭示SARS-CoV-2与MERS-CoV感染差异及免疫应答特性

本综述系统比较了人肺类器官（hLO）、二维单层（hLOm）和气液界面（ALI）培养模型对高致病性冠状病毒（SARS-CoV-2和MERS-CoV）的感染应答差异。研究发现ALI模型能更好地模拟呼吸道结构，保留病毒受体（ACE2/TMPRSS2/DPP4）表达，并呈现更完整的天然免疫应答（如IFNβ、ISGs和炎症因子调控），为呼吸道疾病机制研究和药物筛选提供了更可靠的体外模型。

　　

细胞培养平台影响类器官生长特性

研究团队通过人类捐赠者肺组织样本建立了原代肺类器官（hLO），并进一步衍生出二维单层细胞（hLOm）和气液界面培养模型（hLO ALI）。免疫荧光染色显示，hLO和hLO ALI中存在多种肺细胞类型标记物，包括乙酰化微管蛋白（纤毛细胞）、KRT5（基底细胞）、Muc5AC（杯状细胞）和CC10（Club细胞）。RT-qPCR分析进一步证实，hLO和hLO ALI高表达纤毛细胞标记物（FoxJ1、TUBB4B、TJP1）和支气管上皮标记物（SCGB1A1），而hLOm中这些标记物表达显著降低。特别值得注意的是，hLO ALI中KRT5和Muc5AC表达最高，表明该模型更接近呼吸道生理状态。

培养格式影响对病毒和细菌样刺激的先天免疫应答

研究团队用病毒样双链RNA类似物poly(I:C)刺激hLO和hLOm，发现两种模型均能上调干扰素β（IFNβ）和干扰素刺激基因（ISGs）的表达，包括IFIT1、OAS1和MX1。然而，当用细菌脂多糖（LPS）刺激时，只有hLO能显著上调肿瘤坏死因子α（TNF-α）和白介素1β（IL-1β）的表达，而hLOm对此无反应。这表明从3D向2D格式的转变会削弱对细菌刺激的免疫应答能力。

病毒受体表达分析显示，hLO和hLO ALI中ACE2和TMPRSS2（SARS-CoV-2受体和共受体）的表达显著高于hLOm。虽然DPP4（MERS-CoV受体）蛋白未被检测到，但其mRNA在hLO和hLO ALI中均有表达。这些发现说明培养格式会影响病毒受体的表达模式，进而影响对冠状病毒的易感性。

二维和三维培养格式影响SARS-CoV-2感染性

SARS-CoV-2感染实验显示，hLO和hLO ALI中可检测到病毒核蛋白（N）表达和病毒基因组RNA（UpE区域），而hLOm中的感染水平极低。病毒滴定试验表明，hLO ALI在感染后4天和7天时 apical侧能检测到感染性病毒颗粒，而hLOm中病毒滴度随时间下降。宿主免疫应答分析发现，hLO ALI在感染后上调了多种抗病毒基因（IFNβ、IRF7、IFIT1、STAT1、MX1、OAS1、RSAD2）和炎症因子（IL6、IL1β），而hLOm的免疫应答较弱。这些结果证明hLO ALI能更好地模拟SARS-CoV-2感染及其引发的免疫反应。

二维和三维培养格式影响MERS-CoV感染性

MERS-CoV感染实验显示，hLO和hLO ALI中存在病毒N蛋白阳性细胞，而hLO ALI中还观察到上皮屏障完整性破坏（ZO-1分布中断）。病毒RNA检测发现hLO和hLO ALI中均有UpE表达，但病毒滴度较低。宿主基因表达分析显示，hLO ALI中MX1和OAS1显著上调，IL1β也有响应，而IFNβ应答较弱，这与MERS-CoV的IFN拮抗特性一致。hLO和hLOm对MERS-CoV的免疫应答较弱，再次凸显了ALI模型在模拟MERS-CoV感染方面的优势。

讨论

本研究系统比较了不同培养格式对冠状病毒感染和宿主应答的影响。研究发现，尽管hLO、hLOm和hLO ALI源于同一遗传背景，但其细胞组成、结构和免疫功能存在显著差异。hLO ALI模型不仅更好地保留了呼吸道细胞的多样性，还能模拟更完整的病毒感染过程和免疫应答，包括病毒复制、细胞因子产生和上皮屏障功能变化。这些发现强调了培养格式选择在呼吸道传染病研究和药物筛选中的重要性，并为未来类器官模型的优化提供了重要参考。