Life Med | 那洁/丁强应用人多能干细胞衍生巨噬细胞与肝细胞共培养模型研究肝炎病毒感染

学术   科学   2024-08-09 23:00   北京  

乙型肝炎病毒(HBV)和丙型肝炎病毒(HCV)的长期慢性感染会导致肝硬化、肝癌等严重的肝脏疾病,最终危及生命。根据世卫组织2024年全球肝炎报告, 2022年有超130万人死于病毒性肝炎,为当年仅次于新冠感染的传染病导致死亡的第二大死因。在死于病毒性肝炎的人群中约有110万人死于HBV感染,超24万人死于HCV感染。目前,全球超2.5亿和5000万人分别患有乙肝和丙肝,而仅有3%和20%的乙肝和丙肝患者受到有效治疗。现有的以干扰素(IFN)为基础的疗法虽然是治疗慢性病毒性肝炎的一种选择,但其疗效有限,并且存在多种副作用。近年开发的多种包括针对病毒的蛋白酶或聚合酶的特异性抑制剂在内的直接抗病毒药物(DAA),提高了病毒性肝炎的治愈率,但也带来新的问题,包括耐药性突变、DAA治疗后严重的肝病恶化、以及其他并发症等。因此,虽然人们目前在预防和治疗HBV、HCV感染上已经取得了一些成果,但对肝炎病毒感染和治疗的研究仍然任重道远。
HBV和HCV特异性感染人和少数灵长类动物的肝实质细胞,而Kupffer细胞作为肝脏驻留型巨噬细胞在肝炎病毒感染过程中也起到了至关重要的作用。因人类样本稀少且受到伦理限制,研究者们对肝炎病毒的感染过程及其在肝脏内与免疫细胞相互作用的研究受到了不小的挑战;另一方面,目前已构建的少数在小鼠中的HBV及HCV感染模型表现出与人类不完全相同的表型,其并不能够完全模拟其在人体中的感染情况。在这种情况下,利用人多能干细胞衍生的巨噬细胞与肝脏细胞构建肝炎病毒感染模型,可为研究肝炎病毒的感染过程和发现新的治疗策略提供有效的平台。
2024年2月,清华大学基础医学院那洁课题组与丁强课题组合作在Life Medicine发表了题为Modeling antiviral response in the liver using human pluripotent stem cell-derived macrophages的研究论文,基于人多能干细胞(hPSC)衍生的巨噬细胞(iMAC)和肝脏细胞组成的肝炎病毒感染模型,模拟肝脏微环境中Kupffer细胞对肝炎病毒感染的反应,证明了iMAC在该模型中能够有效且显著地抑制HCV对肝脏细胞的感染,并进一步发现游离的HCV病毒和已侵入宿主细胞的HCV病毒能够激活iMAC不同的抗病毒通路。
研究者首先建立了一套简单便捷且高效的iMAC分化体系,能够在两周时间内使得hPSC经过CD34+ CD43+的造血祖细胞(HPC)中间状态得到CD45+ CD14+ CD68+ CD163+的巨噬细胞样细胞iMAC。对分化体系进行单细胞转录组测序(scRNA-seq)和单细胞染色质开放性(scATAC-seq)分析发现,绝大多数(70%)分化细胞为单核-巨噬细胞谱系,它们在UMAP图上形成了一个连续类群,高表达相应谱系标志基因CSF1R、MAF、MRC1等,其染色质区域也更为开放, RNA速率分析显示单核-巨噬谱系形成一个连续的时序轨迹。
为促进人巨噬细胞向Kupffer细胞转变,研究者又建立了iMAC与肝脏细胞的共培养体系。免疫荧光染色展示iMAC在与人原代肝细胞(pHH)或人肝癌细胞Huh7共培养后均表现出类似Kupffer细胞的延长、伸展形态,并高表达CD163。转录组测序也表明共培养后的iMAC与人体内原代的Kupffer细胞更为相似。接着,研究者发现在共培养体系中,iMAC能显著且有效地抑制HCV感染Huh7细胞,减少感染体系上清中的HCV浓度,即抑制HCV的释放。研究者进而探究了iMAC是否能够缓解或治愈已感染HCV的Huh7,发现iMAC能通过吞噬已感染HCV的Huh7显著大幅减少受感染的Huh7比例,并降低Huh7细胞中的HCV载量。另外,上述抗病毒作用需要iMAC与Huh7直接接触,并依赖iMAC的数量。
对HCV感染前后的iMAC-Huh7共培养体系中的iMAC进行转录组分析表明iMAC-Huh7共培养在感染HCV后,iMAC上调了与免疫细胞招募、细胞吞噬、细胞毒性等免疫反应相关的基因。而当单独培养的iMAC与HCV接触后,上调表达的基因多与病毒相关过程的调控有关,还上调了细胞因子介导的信号通路相关和炎性反应相关的基因。因此,当iMAC接触到感染HCV的Huh7细胞或单独的HCV时,不同的通路被激活,表明iMAC中有不同的抗病毒反应被触发。
研究人员还尝试了iMAC对HBV的抑制效果,然而iMAC在共培养中对HBV的抑制效果并不明显,仅能够略微减弱感染体系中HBV表面抗原(HBsAg)的水平,研究者推测iMAC可能能够清除感染上清中的部分游离HBV而不能够抑制HBV在宿主细胞中的复制。
综上,研究人员利用hPSC分化得到了iMAC并对其在单细胞水平上进行了验证。与人肝脏细胞共培养后,iMAC向Kupffer样细胞转变,表现出相应的基因表达变化。这种Kupffer样iMAC在共培养中对HCV有很强的抑制作用,依赖于iMAC与感染的宿主细胞的直接接触。这些研究结果表明,hPSC衍生的iMAC能够为研究肝脏感染过程中的免疫反应提供参考模型。
清华大学基础医学院那洁副教授和丁强副教授为本文共同通讯作者,清华大学基础医学院博士研究生张雅瑄、医学实验班张兴武、已毕业博士段福宇、基础医学院博士研究生乔慧敏龚明丽为共同第一作者。本研究得到国家干细胞及转化研究重点专项、国家自然科学基金委项目、清华大学-勃林格殷格翰感染疾病免疫治疗联合研究中心和清华大学春风基金的支持。
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英文全文链接:
https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnae001
引用本文:
Yaxuan Zhang, Xingwu Zhang, Fuyu Duan, Huimin Qiao, Mingli Gong, Hui Qiu, Xia Chen, Peiliang Wang, Yuan He, Qiang Ding, Jie Na, Modeling antiviral response in the liver using human pluripotent stem cell-derived macrophages, Life Medicine, Volume 3, Issue 1, February 2024, lnae001, https://doi.org/10.1093/lifemedi/lnae001

作者简介

那洁

清华大学

那洁,清华大学基础医学院副教授;科研方向包括人类多能干细胞向心血管组织分化的调控机制,构建基于干细胞的类器官,人类疾病模型,干细胞在促进血管重建、治疗组织缺血和心脏疾病中的转化应用;以及哺乳动物早期胚胎发育调控。作为负责人主持科技部干细胞及转化研究重点专项课题,国家和北京市自然科学基金项目等。在国际权威专业刊物如Nature, Science,Cell Stem Cell 等发表SCI论文70余篇,总引用4000余次。

丁强

清华大学

丁强,清华大学基础医学院副教授,博士生导师;长期从事分子病毒学研究以及新型病毒感染模型的开发,在病毒感染和宿主相互作用、病毒感染种属特异性的分子机制以及开发新型病毒感染遗传学系统等方面取得了突出的成绩,在Cell、PNAS等国际顶尖专业期刊发表多篇高水平的科研论文,主持多项科技部和国家自然科学基金项目。

制版:太鑫

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