用患者自身细胞制造的“肺泡芯片”揭示结核病早期感染过程

人类肺泡是物质交换的重要组织微环境，同时由驻留免疫细胞抵御呼吸道病原体（如冠状病毒和结核分枝杆菌）。由于动物模型与人类在解剖结构、免疫细胞组成和疾病发病机制上存在差异，研究人员开发了多种体外人类模型。受FDA现代化法案2.0的推动，器官芯片技术成为有前景的组织建模工具。本研究将人类诱导多能干细胞（iPSC）与肺芯片技术结合，构建了一种自体、实验可及的多细胞肺芯片（iLoC），包含iPSC衍生的I型和II型肺泡上皮细胞（iAT1、iAT2）、血管内皮细胞（iVEC）和巨噬细胞（iPSDM）。

研究首先优化了iPSC向肺祖细胞（iLungPro）的分化方案，通过羧肽酶M（CPM）富集后接种到微流控装置（AX12），在静态或模拟呼吸的三维机械拉伸条件下形成功能性上皮屏障。透射电镜（TEM）显示，iAT2细胞具有微绒毛、板层小体（储存表面活性物质的细胞器），上皮细胞间形成紧密连接和桥粒，表明其具备肺泡上皮的典型结构特征。荧光显微镜显示，iAT2表达表面活性蛋白C（SP-C），iAT1表达podoplanin（PDPN），且呼吸运动能促进细胞分化和屏障功能稳定。

随后，研究将iVEC接种到AX12的基底侧，与顶端的iLungPro共同培养，形成上皮-内皮双层结构，维持气液界面和跨上皮电阻（TER）达14天以上。进一步加入iPSDM后，iLoC包含四种细胞类型，巨噬细胞松散附着于上皮层，分泌巨噬细胞分化和稳态相关细胞因子（如M-CSF、GM-CSF）以及促炎和抗炎细胞因子（如IL-6、IL-8），且呼吸运动和内皮细胞影响细胞因子的极化分泌，表明iLoC形成了功能协调的免疫微环境。

单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析显示，iLoC中的细胞类型（iAT1、iAT2、iVEC、iPSDM）及其基因表达谱与人类远端肺组织高度相似。内皮细胞的存在促进了iAT2-iAT1的转分化、巨噬细胞的滞留及免疫相关通路（如抗病毒、抗菌、吞噬作用）的激活，而呼吸运动则对免疫通路有细胞类型特异性的调控作用。

将iLoC用于结核分枝杆菌（Mtb）早期感染模型，发现巨噬细胞和上皮细胞均会被感染，但在感染后48小时内细菌未显著复制。然而，随机观察到含坏死巨噬细胞的大型集群，其中Mtb可复制，且随感染进展（120小时），肺泡屏障完整性破坏，上皮和内皮细胞死亡增加。通过基因工程构建自噬基因ATG14缺失的iLoC（GE-iLoC），发现ATG14缺陷的巨噬细胞在感染后坏死率更高，但细菌仍未大量复制，同时细胞因子分泌模式改变，提示自噬在巨噬细胞存活和肺泡微环境稳态中起重要作用。

综上，该iLoC模型重现了人类肺泡的细胞组成和功能特征，为研究肺部疾病（如结核病）的发病机制和药物研发提供了接近生理条件的实验平台。