引言
多能幹細胞 (Pluripotent stem cells, PSCs) 具有自我更新並向三胚層多譜系分化的能力。多能幹細胞分化得到的細胞和類器官可以套用到基礎研究和臨床套用的多個方面，包括，疾病模型構建，藥物篩選和細胞治療。巨噬細胞在不同環境因子的刺激下，被極化為不同的表型，如在LPS, INF-g等的刺激下，巨噬細胞表現為促炎表型，在炎癥，組織損傷方面發揮作用。而在IL-4, IL-13等的刺激下，巨噬細胞表現為抗炎表型。抗炎型巨噬細胞對於傷口，組織的損傷修復以及血管生成發揮重要作用。除了這兩種表型之外，巨噬細胞的極化還存在多種中間表型。胰腺組織內包含許多胰島小單元，胰島內包括β細胞、α細胞和δ細胞等，分別負責分泌胰島素 （INS） 、胰高血糖素 （GCG） 和體抑素 （SST） ，從而維持血糖的穩定。胰島β細胞的損傷與1型糖尿病 （T1D） 和2型糖尿病 （T2D） 的發生相關。
2024年9月3日，來自康奈爾大學威爾醫學院的 陳水冰 ， Robert E. Schwartz 和 楊柳柳 （現為中國醫學科學院血液病醫院/血液學研究所的研究員） 等的研究團隊在Cell Stem Cell雜誌發表題為 Human Vascularized Macrophage-Islet Organoids to Model Immune-Mediated Pancreatic β cell Pyroptosis upon Viral Infection 的研究論文。 該研究透過對對照組和新冠患者 （COVID-19） 的胰腺組織樣品進行空間多組學分析以及構建人多能幹細胞來源的血管化的巨噬細胞-胰島類器官 （vascularized macrophage-islet organoids, VMI organoids） 模型發現新冠患者中，促炎型巨噬細胞透過TNFSF12-TNFRSF12A通路誘導胰島β細胞的焦亡 （Pyroptosis） 。
越來越多的證據表明，新型冠狀病毒病 （COVID-19） 與糖尿病之間存在強烈聯系。美國疾病控制與預防中心 （CDC） 的研究報告稱，與未患新冠肺炎的人相比，18歲以下患有新冠肺炎的人更傾向於新發糖尿病。並且，新冠疫情開始後，1型糖尿病 （T1D） 和2型糖尿病 （T2D） 的發病率明顯升高。除了新冠病毒 （SARS-CoV-2） 外，許多研究表明病毒感染與T1D之間存在相關性，包括腸道病毒，如B族柯薩奇病毒，以及輪狀病毒、腮腺炎病毒和巨細胞病毒等。柯薩奇病毒B4 （CVB4） ，是一種正義單鏈RNA病毒，是從新診斷的T1D病人中分離出來的，可以在體外感染並導致β細胞損傷。該團隊前期構建了人多能幹細胞向三胚層多種組織細胞及類器官分化的平台 ，透過對這些分化得到的細胞和類器官進行SARS-CoV-2感染，首先鑒定並報道了胰腺內分泌細胞可以被SARS-CoV-2感染。然而，除了病毒直接感染導致的組織細胞損傷外，其他因素，尤其是炎癥所導致的組織細胞損傷也在新冠患者的疾病行程中發揮了關鍵作用。然而，目前缺少合適的人類疾病模型來研究免疫細胞在病毒感染過程中造成的組織損傷。
為了檢測免疫細胞是否參與胰腺胰島β細胞的損傷，團隊收集了對照組和新冠患者的胰腺組織樣品，對其進行空間多組學分析。研究發現，與對照組相比，新冠患者的胰島中表達胰島素 （INS） 的β細胞的比例明顯降低。並且，在新冠患者的胰島內有促炎型巨噬細胞的活化和富集。之後，團隊分離了人的胰島組織細胞，對其進行SARS-CoV-2以及CVB4的感染和單細胞轉錄組分析 （scRNA-seq） 。研究發現，SARS-CoV-2和CVB4均可導致胰島內促炎型巨噬細胞的活化以及胰島β細胞的焦亡。
為了研究新冠患者以及病毒感染的胰島β細胞的焦亡是由病毒直接感染引起的還是由於促炎型巨噬細胞的活化誘導的，該團隊構建了人多能幹細胞來源的血管化的巨噬細胞-胰島類器官模型。團隊首先將胚胎幹細胞 （hESCs） 分別經過多種因子誘導分化為胰腺內分泌細胞 （包含β細胞、α細胞和δ細胞等） ，巨噬細胞和內皮細胞，之後將分別分化得到的細胞在最佳化的類器官培養條件下組裝成類器官 （VMI organoids） 。團隊進一步對該類器官模型中的關鍵細胞成分進行了免疫熒光染色分析和功能評價，發現巨噬細胞和內皮細胞的存在對β細胞響應高濃度葡萄糖和KCL的功能有促進作用。同時，內皮細胞和巨噬細胞在該類器官模型中也保留了其特有的功能。透過進一步在體外誘導並構建包含促炎型巨噬細胞的VMI organoids，該團隊也證明了促炎型巨噬細胞確實可以引起胰島β細胞的焦亡。
在分子機制方面，研究團隊透過對巨噬細胞和胰島β細胞之間的細胞通訊 （cell chat） 進行分析和驗證，發現促炎型巨噬細胞透過TNFSF12-TNFRSF12A這一訊號通路來誘導胰島β細胞的細胞焦亡。使用TNFSF12的中和抗體可以緩解病毒 （SARS-CoV-2或CVB4） 誘導的胰島或促炎型巨噬細胞誘導的類器官模型中β細胞的焦亡。最後，研究人員也在新冠患者的胰腺組織樣本中，確認了胰腺內胰島β細胞的細胞焦亡現象，並且這種現象與糖尿病不相關。
免疫細胞在組織穩態及疾病的發生發展，尤其是感染性疾病中發揮重要作用。然而，研究免疫細胞介導的宿主組織細胞損傷的人類模型很少。 本研究構建了人多能幹細胞（hPSC）衍生的血管化巨噬細胞-胰島類器官（VMI organiods），為研究免疫細胞介導的宿主組織細胞損傷提供了有價值的工具，並揭示了病毒暴露期間β細胞潛在的損傷機制。
模式圖（Credit: Cell Stem Cell ）
參考文獻
https://doi.org/10.1016/j.stem.2024.08.007
責編 |探索君
排版|探索君
文章來源|「BioArt」
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