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文章信息
标题：Development of functional resident macrophages in human pluripotent stem cell-derived colonic organoids and human fetal colon 期刊：Cell Stem Cell 发表时间：2023年1 1月2日 研究领域：免疫细胞与肠道发育 DOI号：10.1016/j.immuni.2023.10.002
背景介绍
成人的消化道中聚集着大量的免疫细胞，既有髓系又有淋巴系的细胞。大部分肠道疾病，尤其是炎症性肠病（IBD），都涉及到免疫系统。过去认为，肠道中的免疫细胞是来自于骨髓造血干细胞（HSCs）。但是，近年来的动物研究表明，很多器官在胚胎发育中的纳入的组织驻留型巨噬细胞是独立于HSC的，来自于胎儿前巨噬细胞。小鼠小肠和结肠含有稳定的、自我更新巨噬细胞群，这些巨噬细胞既有来自于胚胎祖细胞，也有来自于HSC。胎儿结肠中组织驻留巨噬细胞的胚胎发育过程目前还没有报道。
免疫细胞与组织器官共同发育，不仅共同实现器官功能的完整性，对器官本身发育成熟也很重要。类器官是利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维(3D)培养而形成的具有一定空间结构的组织类似物。人类类器官如果缺乏这些免疫细胞，这限制了它们在模拟许多正常和疾病过程中的效用。包含有组织驻留型巨噬细胞共同发育的人类消化道类器官此前也没有报道。
这项研究中，研究者在已有的人类结肠类器官(HCOs)构建方法的基础上，通过活化BMP信号，构建了含有多种免疫细胞的HCO，这些细胞包括造血内皮(HE)样细胞和红髓系祖细胞，它们经历了典型的分化步骤，进而产生了功能性巨噬细胞。HCO巨噬细胞获得了类似于人胎儿小肠和大肠组织巨噬细胞的转录特征。HCO巨噬细胞根据促炎和抗炎信号调节细胞因子的分泌，能够吞噬致病菌并产生强烈的免疫的反应。移植到小鼠体内后，HCO巨噬细胞维持在结肠类器官组织内，与结肠上皮建立了密切的联系，并且不被宿主骨髓源性巨噬细胞替代。这些研究表明，HCOs中的HE可产生多能造血祖细胞和功能性组织驻留巨噬细胞。
测序数据
本研究中涉及到丰富的bulk RNA-seq和scRNA-seq数据的应用。本研究产生的数据包括不同培养天数的人类小肠类器官(HIO)、HCO，以及HCO产生的造血细胞的bulk RNA-seq和scRNA-seq数据，移植入小鼠体内的HCO的scRNA-seq数据，和iPS诱导的单核/巨噬细胞的scRNA-seq数据，这些数据都可以在GEO数据库中通过GSE240363获取。此外研究中还应用了以往发表的HIO和HCO，胎儿造血谱系，以及胎儿内胚层样本的bulk RNA-seq或scRNA-seq数据。
亮点解读
BMP诱导hPSC来源的结肠类器官（HCO）中产生HE样细胞
作者过去已经建立了从hPSC诱导分化建立HIO和HCO的方法。在此基础上，通过瞬时活化BMP信号的方式构建含有免疫细胞的HCO。HCO中包含肠上皮细胞和周围的间充质细胞，包括成纤维细胞、肌成纤维细胞和平滑肌细胞。在结合了BMP活化的诱导方式下，在Day21出现了免疫细胞相关转录特征。由于发育过程中造血细胞主要起源于HE细胞，因此作者研究了HCO中是否含有HE样细胞。
RUNX1标志着HPC从HE生发，随后造血谱系细胞开始分化并在胚胎中循环，例如E10.5的小鼠胚胎中含有RUNX1 HPC。本研究中在Day21的HCO中有检测到RUNX1 造血细胞产生，通过bulk RNA-seq也检测到丰富的造血细胞特征基因。
HE产生可以分化为巨噬细胞细胞的红髓系祖细胞（EMP）
进一步通过细胞形态学、功能学和单细胞测序，证明了HCO中的HE能够产生EMP和髓系细胞，与早期胚胎造血非常类似。
HCO中的巨噬细胞在转录上与人类胎儿结肠中的巨噬细胞相似
小鼠的谱系追踪研究表明，前巨噬细胞和胎儿单核细胞可以在发育早期定植器官，并产生组织驻留巨噬细胞，这种巨噬细胞持续到出生59岁，并贯穿一生。那么HCO中的HE能否产生组织驻留巨噬细胞呢？研究者对培养Day22、Day28、Day37的HCO进行scRNA-seq，发现这三个时间点的细胞呈现出明显的向巨噬细胞分化的过程。与胎儿的数据进行比较也发现，HCO中的巨噬细胞在基因转录特征上与胎儿结肠中的组织驻留巨噬细胞高度类似。
巨噬细胞能响应促炎信号并分泌细胞因子
对HCO巨噬细胞转录组的GO分析表明，这群细胞能够分泌炎症因子，提示其具有免疫反应的功能。所以研究者继续实验检测了HCO巨噬细胞对LPS、IL-10的响应，对细菌的响应，以验证其功能。
总结
本文主要的创新点在于通过活化BMP信号，构建了含有早期造血功能的HCO，通过研究中构建的HCO进行转录组测序，预测其中的细胞构成和细胞功能，并通过实验进行验证。同时，作者还结合了大量来自人类胎儿的测序数据进行比较，强调了研究中所构建的HCO与真实人体的相似性，提示这是一个很好的模拟人体微环境的模型。
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