京都大學iPS細胞研究所（CiRA）臨牀應用研究部門的大西裕子研究員和後藤慎平教授帶領的研究團隊發表研究成果稱，明確了當肺泡受到電腦病毒傳染等傷害時可發揮開墾作用的Ⅱ型肺泡上皮細胞（AT2）向Ⅰ型肺泡上皮細胞（AT1）分化時，激活YAP/TAZ訊號和抑制AKT訊號能夠促進分化程序，同時研究團隊還建立了一種能夠高度靈敏地定量評估AT1分化情況的人源iPS細胞，使用源自相同細胞的肺泡上皮細胞製備了適用於篩選多種化合物的肺泡類球狀細胞。這一發現有望應用於各類肺部疾病的藥物開發。相關研究成果已於3月28日發表在國際學術期刊《Stem Cell Reports》上。
圖1 適用於化合物篩選的「on-gel培養法」（供圖：京都大學）
A：on-gel培養法的概要。預先將基質凝膠塗於底面的96孔培養板上，培養人源iPS細胞的肺泡上皮祖細胞或AT2。
B：人源iPS細胞的AT2（綠色螢光蛋白GFP）經on-gel培養形成肺泡細胞球。比例尺左側爲500μm，右側爲100μm。
人類的肺由氣道和肺泡組成，肺泡負責氣體交換。肺泡表面覆蓋着兩種上皮細胞：扁平的AT1負責交換氧氣和二氧化碳，立方體的AT2負責分泌維持肺泡囊結構的成分。正常情況下，AT1因電腦病毒傳染等終極因數受損時，AT2細胞作爲組織幹細胞會增殖，並部分分化爲AT1。相反，有報告稱，在間質性肺炎和新型冠狀病毒肺炎等疾病中，AT2向AT1的分化受到阻礙，導致形成異常細胞。另一方面，由於難以獲得活體人源肺泡上皮細胞，AT2向AT1分化的調控機制的研究進展緩慢。
京都大學的研究團隊一直致力於肺部疾病的理解和冶癒方法的開發，並於2014年用人源iPS細胞成功製備出了肺泡類器官，2017年成功製備出可長期培養的肺泡類器官，2021年成功地部分揭示了與AT1分化相關的訊號通路。
此次研究團隊的目標是全面篩選與AT1分化相關的訊號。
首先，爲了對AT2分化爲AT1的程序進行高靈敏度的定量評估，研究人員透過轉基因技術建立了能夠視覺化AT1分化的人源iPS細胞。
接下來，研究人員考慮開發一種操作簡單、可進行高效篩選的肺泡類球狀細胞（球狀細胞團），最終開發出了可使用少量細胞輕鬆形成肺泡類球狀細胞的「on-gel培養法」。運用這種方法，將基質凝膠（培養基）預先塗覆於96孔培養板的底面，並在其上注入肺泡上皮的懸浮液，即可在凝膠上便捷地形成肺泡類球狀細胞。
研究人員使用相同的培養方法，培養了從視覺化AT1分化的iPS細胞中誘導分化而來的肺泡上皮前驅細胞。並在每個孔中分別加入274種低分子化合物，透過發光強度評估其促進AT1分化的效果。那些細胞數量急劇減量的化合物因其潛在的細胞毒性被排除在外。
結果顯示，有15種化合物的發光強度較高。其中，有5種化合物顯示上調了3種AT1標記基因的表達。
對AT1標記基因表達的研究結果表明，其中尤以YAP/TAZ訊號活化劑（LATS-IN-1）能夠顯著強化AT1標記基因的表達。此前的研究證實，在小鼠實驗中，這種訊號的擧升對AT1分化具有重要意義。
此外，實驗還顯示當分別同時添加YAP/TAZ訊號活化劑和其他4種化合物時，AKT訊號抑制劑會顯著增加AT1標記基因的表達。除了基因表現外，AT1標記蛋白的表達也增加了。處理這兩種化合物樣本後，AT1標記的陽性細胞球數量從未經處理的40%增加到了90%。這一效果在採集自人體的AT2中也得到了驗證。
最後，爲全面分析這兩種化合物的添加效果，研究人員進行了RNA測序分析。結果表明，單獨添加每一種化合物都會上調多種AT1標記基因的表達，而同時添加兩種化合物則效果更顯著。研究證實，同時添加兩種化合物可以強化血管的新生能力，並使細胞形態更接近AT1。
據悉，此次開發的篩選方法有望在未來實施自動化，從而爲提高候選藥物篩選效率、促進展再生醫療研究的隊形變換提供助力。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Stem Cell Reports
論文：Screening of factors inducing alveolar type 1 epithelial cells using human pluripotent stem cells
DOI：10.1016/j.stemcr.2024.02.009
