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OTC2024类器官前沿应用与3D细胞培养论坛圆满落幕，点击图片可查看会后报告，咨询OTC2025类器官论坛请联系：王晨 180 1628 8769 文章来源： 类器官和器官芯片 序言 2024年8月，Calvin J. Kuo团队在《Nature》杂志上发表了一篇题为“A human autoimmune organoid model reveals IL-7 function in coeliac disease”的研究文章。这项研究由斯坦福大学医学院的团队领导，他们开发了一种新型的人类自身免疫类器官模型，用于研究乳糜泻（CeD）的病理机制。通过使用空气-液体界面（ALI）技术，研究者们能够从内窥镜活检样本中培养出保留了上皮和原生间质以及组织驻留免疫细胞的十二指肠类器官。这些类器官不仅模拟了CeD患者的病理特征，还揭示了IL-7在调节CD8+ T细胞介导的上皮细胞破坏中的关键作用。研究结果为理解CeD的免疫病理学提供了新的视角，并为开发新的治疗策略提供了潜在的靶点。 摘要 自身免疫的体外模型受到无法培养受影响的上皮组织以及复杂的组织驻留免疫微环境的限制。乳糜泻（CeD）是一种自身免疫性疾病，其中饮食中的谷蛋白衍生肽与主要组织相容性复合体（MHC）类II人类白细胞抗原分子（HLA）-DQ2或HLA-DQ8结合，引发免疫介导的十二指肠粘膜损伤。在这里，我们从内窥镜活检的完整片段中生成了空气-液体界面（ALI）十二指肠类器官，这些类器官保留了上皮组织以及原生间充质和组织驻留免疫细胞作为一个单元，而不需要重建。ALI类器官的免疫多样性涵盖了T细胞、B细胞和浆细胞、自然杀伤（NK）细胞和髓系细胞，具有广泛的T细胞和B细胞受体库。HLA-DQ2.5限制性的谷蛋白肽选择性地在来自CeD患者的HLA-DQ2.5表达类器官中引发上皮破坏，这可以通过阻断MHC-II或NKG2C/D来抵消。谷蛋白表位刺激了CeD类器官在淋巴细胞和髓系亚群中的免疫网络响应，以及抗转谷氨酰胺酶2（TG2）自身抗体的产生。在CeD类器官的功能研究中发现，白细胞介素-7（IL-7）是一种谷蛋白诱导的致病调节因子，它调节CD8+ T细胞NKG2C/D的表达，并且对上皮破坏是必要且充分的。此外，与采用无谷蛋白饮食的缓解期疾病相比，活跃期CeD患者的活检样本中的内源性IL-7显著上调，主要在固有层间充质中。通过保留上皮组织以及多样化的免疫群体，这种人类体外CeD模型重现了依赖谷蛋白的病理学，使得机制研究成为可能，并为自身免疫病的类器官建模建立了一个原理验证。 研究成果 图1 人ALI小肠类器官保存上皮细胞、间充质细胞和多种免疫细胞群，而无需外源性重建 图2 谷蛋白诱导CeD类器官中的上皮IL-15产生和凋亡 图3 醇溶蛋白诱导CeD类器官中T细胞扩增 图4 谷蛋白诱导CeD类器官的网络适应性和先天性免疫反应 图5 IL-7在谷蛋白诱导的CeD类器官细胞毒性过程中的必要性和充分性 图6 在CeD类器官中，谷蛋白增加了IL-7的产生，并在活性CeD活检中上调 研究意义 本研究通过创建一个包含多样化免疫细胞的人类自身免疫类器官模型，成功模拟了乳糜泻（CeD）的病理过程，揭示了IL-7在促进麦胶诱导的上皮细胞损伤中的核心作用。这一发现不仅增进了对CeD发病机制的理解，而且为开发针对IL-7的治疗策略提供了科学依据，有望改善CeD患者的临床治疗，并为其他自身免疫性疾病的研究提供了新的视角和方法。 编辑：田锦鑫 排版：赵一铮 初审：孙世欣 复审：李刚 终审：闫晓倩 张兴众 END 免责声明：本文仅作知识交流与分享及科普目的，不涉及商业宣传，不作为相关医疗指导或用药建议。文章如有侵权请联系删除。 OTC2024类器官前沿应用与3D细胞培养论坛圆满落幕，点击图片可查看会后报告，咨询OTC2025类器官论坛请联系：王晨 180 1628 8769

引言 在日常生活中，经常能看到Gluten-free（无麸质）的食物，这是因为Gluten的摄入会引起乳糜泻（CeD）这种自身免疫性疾病的发病，CeD在全球范围内的发病率为1%【1】。Gluten是一种储藏蛋白质，主要存在于小麦、大麦和黑麦中。在CeD患者中，摄入Gluten会导致肠粘膜的破坏，特别是在携带MHC II等位基因HLA-DQ2或HLA-DQ8的个体中。Gluten衍生的gliadin肽在体内被组织转谷氨酰胺酶2（TG2）脱氨基化，引入负电荷，增强其与MHC II类分子的结合，最终引发Gluten特异性的CD4+ T细胞反应【2,3】。CD4+ T细胞如何引发细胞毒性T细胞反应尚未完全阐明，并且目前的研究缺乏能够同时包含组织和内源性免疫细胞的体外模型。虽然科学家已经在小鼠中构建了CeD发病模型，但是这些疾病模型缺乏完全的人类背景。 近日，来自美国斯坦福大学的Calvin J. Kuo课题组在Nature上发表了研究论文A human autoimmune organoid model reveals IL-7 function in coeliac disease。在本研究中，作者成功构建了保留小肠完整细胞和免疫微环境的类器官模型，从而重现CeD的Gluten诱导病理，并发现了IL-7在该过程中的新作用。 为了构建一个人类遗传背景的体外CeD模型，作者利用空气-液体界面（ALI）系统培养人类小肠内镜或手术活检片段形成的类器官，通过添加WNT3A、EGF、Noggin和R-spondin1的特殊培养基培养类器官。类器官内源性地存在许多基质细胞和上皮细胞，重要的是类器官中还存在CD45+造血细胞，包括CD3+ T细胞、CD14+单核细胞和巨噬细胞、CD19+ B细胞和浆细胞。CD8+ T细胞定位于上皮内，而CD4+ T细胞则定位于上皮下的特定区域。scRNA-seq分析显示，ALI小肠类器官保留了与新鲜肠道组织中相似的免疫细胞多样性和T细胞受体谱。此外，类器官中的CD8+ T细胞包含KIR+和NKG2C/NKG2D+亚群，这些细胞被发现有助于抑制自体免疫反应。 接下来，作者利用这种系统，从135名个体（81名CeD患者和54名正常对照捐赠者）收集十二指肠活检样本，对119名个体进行HLA基因分型和类器官生成，发现大多数CeD患者表达HLA-DQ2.5。研究人员用HLA-DQ2.5-glia-α1和HLA-DQ2.5-glia-α2肽处理类器官，以CLIP肽作为对照。研究发现，gliadin肽处理诱导了CeD类器官中上皮细胞的IL-15表达和上皮细胞标志物减少以及凋亡，而非CeD类器官没有类似反应；HLA-DQ2.5+类器官对gliadin肽反应显著，而HLA-DQ8+类器官没有反应；gliadin肽处理还增强了CeD类器官中上皮细胞的增殖和类器官的生长。这些结果证实作者构建的CeD类器官模型有效的模拟了临床组织活检中观察到的上皮破坏和代偿性增殖。此外， 作者还研究了gliadin肽处理对CeD类器官中T细胞亚群的影响。结果表明，gliadin肽处理显著增加了CeD类器官中T细胞亚群的数量，特别是CD4+和CD8+ T细胞，并确认了Gluten特异性CD4+ T细胞的存在。 作者进一步对三位CeD患者的类器官经过2天gliadin肽和CLIP肽处理后进行scRNA-seq分析，结果表明gliadin肽处理引发了CeD类器官中复杂的免疫反应，包括细胞毒性因子、趋化因子和细胞因子的上调，以及广泛的免疫网络交互，表明免疫信号通路的急性转换。抗体分析发现CeD类器官在gliadin肽处理后积极分泌抗TG2自身抗体，而对照类器官中几乎检测不到这些抗体。这表明CeD类器官有效重现了患者中抗TG2自身抗体的病理性产生，这一过程可以被MHC II限制的gliadin肽进一步刺激。利用CeD类器官的scRNA-seq数据和阻断实验，作者还发现IL-7在CeD中通过促进CD8+ T细胞中的NKG2C和NKG2D表达，参与上皮细胞杀伤，这一效应在CeD类器官中特异性很高。结合活检样本，作者认为gliadin肽可以在CeD类器官和患者活检样本中显著诱导IL-7的产生，IL-7主要集中在固有层区域，强烈表明IL-7是CeD病理过程中一个关键的、功能相关的介质。 总的来说，这项研究成功建立了一个保留上皮和免疫细胞多样性的ALI体外CeD类器官病理模型，重现了CeD的Gluten依赖性病理过程，揭示了IL-7在CeD中的关键作用，并为体外研究自身免疫疾病提供了新的方法。 参考文献 1. Catassi, C., Verdu, E. F., Bai, J. C. & Lionetti, E. Coeliac disease. Lancet 399, 2413–2426 (2022). 2. Levescot, A., Malamut, G. & Cerf-Bensussan, N. Immunopathogenesis and environmental triggers in coeliac disease. Gut 71, 2337–2349 (2022). 3. Iversen, R. & Sollid, L. M. The immunobiology and pathogenesis of celiac disease. Annu. Rev. Pathol. 18, 47–70 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07716-2 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述

*仅供医学专业人士阅读参考阿尔茨海默病（AD）是最常见的痴呆症类型，具有很高的遗传性。尽管在过去的十多年里，全基因组关联研究（GWAS）已经在APOE、BIN1和CLU等基因中发现了数百种与AD相关的常见变异，但是由于GWAS存在基因组覆盖密度低和检测罕见变异能力差的问题，目前与AD相关的罕见变异及其相应基因很难被发现，这严重阻碍了人们对AD发病机制的认识。近期，复旦大学附属华山医院郁金泰团队，联合复旦大学类脑智能科学与技术研究院程炜团队利用大规模全外显子组关联研究（ExWAS），对54569名中老年（40-69岁）参与者（临床诊断为AD相关痴呆[ADRD]患者或有ADRD家族史的高危人群）的数据进行了分析。最终鉴定出了11个与ADRD风险相关的罕见变异（其中包括5个新基因：FRMD8、DDX1、DNMT3L、MORC1和TGM2，以及6个之前已报道过的基因：SORL1、GRN、PSEN1、ABCA7、GBA和ADAM10）以及2个新的与ADRD风险相关的常见变异（SLCO1C1和NDNF）。生物学功能分析显示，以上鉴定出的基因主要富集在与β-淀粉样蛋白（Aβ）积累过程、小胶质细胞和海马等脑区相关的通路中。药物靶向性证据表明，DDX1、DNMT3L、TGM2、SLCO1C1和NDNF可能是未来治疗AD的有效药物靶点。研究发表在Alzheimer’s & Dementia上[1]。论文首页截图研究的整体流程大致可分为3步，分别是基因鉴定、生物功能分析，以及药物靶向性验证。研究流程先来看基因鉴定。研究利用了来自英国生物银行的349990名参与者的WES数据，进行了基于基因的ExWAS，目的是研究罕见变异（最小等位基因频率[MAF]<1%）和常见变异（MAF≥1%）对ADRD的影响。参与者主要包括，54569名临床诊断为ADRD或有ADRD家族史的（6740名临床确诊ADRD；47829名有ADRD家族史）人群，以及295421名对照人群。这些人群在研究招募时的平均年龄为56.94岁，其中女性占比53.76%。最终有1209264个罕见变异和50506个常见变异被注释出来，并纳入了关联测试。结果显示，对这些基因进行聚类后，有28种罕见变异与ADRD之间存在显著关联，这有28种罕见变异涉及了11个基因，其中包括五个新基因（FRMD8、DDX1、DNMT3L、MORC1和TGM2），以及六个之前已报道过的基因（SORL1、GRN、PSEN1、ABCA7、GBA和ADAM10）。此外，在常见变异方面，研究共鉴定出15个与ADRD显著相关的基因，其中包括两个新基因（SLCO1C1和NDNF）以及13个先前报道的基因。总之，研究共发现7个新的与ADRD风险相关的基因。红色的是2个新的与ADRD显著相关的基因接下来，为了了解这7个基因的生物学功能，研究人员分析了这些基因在大脑的不同区域和细胞类型中的表达。结果显示，这些基因主要富集在与Aβ积累过程，小胶质细胞和海马等脑区相关的通路中。生物学功能分析最后，研究评估了这些新基因在药物开发中的潜力。通过检索现有的药物数据库，研究人员发现，7个新基因中有5个基因（DDX1、DNMT3L、TGM2、SLCO1C1和NDNF）已有相应的药物或化合物靶标，其中DDX1对应的药物最多，高达245种，DNMT3L有38种，SLCO1C1有20种，TGM2和NDNF各有1种。综上，该研究结果进一步扩展了现有的AD及ADRD的基因研究。通过对全外显子组的广泛测序分析，研究不仅鉴定出了7个新的与ADRD有关的基因，还发现了5个治疗AD的有效药物靶点。这为我们理解ADRD的遗传病因提供了新的证据。参考文献：[1]Zhang YR,Wu BS,Chen SD,Yang L,Deng YT,Guo Y,Wu XR,Liu WS,Kang JJ,Feng JF,Cheng W,Yu JT.Whole exome sequencing analyses identified novel genes for Alzheimer's disease and related dementia.Alzheimers Dement.2024 Aug 11.本文作者丨张金旭