Vědci vyvíjejí organoidy lidských slinných žláz, aby otestovali infekčnost SARS-CoV-2

Vědci vyvíjejí organoidy lidských slinných žláz, aby otestovali infekčnost SARS-CoV-2

Ve studii nedávno zveřejněné v časopise Přirozená buněčná biologie Vědci prokázali in vitro náchylnost slinných žláz k infekci koronavirem-2 (SARS-CoV-2) závažného akutního respiračního syndromu pomocí modelu organoidní kultury.

Studie: Lidmi indukované pluripotentní organoidy slinných žláz odvozené z kmenových buněk model infekce a replikace SARS-CoV-2. Fotografický kredit: NIAID

pozadí

Ačkoli je hlavním cílem SARS-CoV-2 dýchací systém, včetně horních cest dýchacích (URT) a plic, přibývá důkazů, že postihuje více orgánů. Například ústní sliznice a slinné žlázy široce exprimují dva vstupní faktory SARS-CoV-2, angiotensin-konvertující enzym 2 (ACE2) a transmembránovou serinovou proteázu 2 (TMPRSS2). Slouží také jako zásobník pro SARS-CoV-2.

Je zajímavé, že 80 % infekcí SARS-CoV-2 je asymptomatických. Kromě toho studie uvádějí, že SARS-CoV-2 se zaměřuje na lidské slinné žlázy a infekční viriony ze slin asymptomatických jedinců přispívají k dalšímu přenosu viru.

Vzhledem ke schopnosti SARS-CoV-2 infikovat více typů organoidů se model organoidní kultury může ukázat jako vhodný pro detekci infekce SARS-CoV-2 ve slinných žlázách (in vitro). Vzhledem k nedostatku vhodných in vitro modelů však studie nedokázaly objasnit mechanismy, které jsou základem infekce a replikace SARS-CoV-2 ve slinných žlázách a následné sekrece do slin.

O studiu

V této studii vědci vytvořili funkční organoidy slinných žláz z lidských indukovaných pluripotentních kmenových buněk (hiPSC) s podobnými morfologickými rysy a fyziologickými funkcemi (in vivo) jako lidské slinné žlázy. Kromě toho tyto organoidy měly buněčné linie specifické pro slinné žlázy.

Tým provedl jednobuněčné sekvenování ribonukleové kyseliny (scRNA-seq) buněk hiSG v den 80 pomocí platformy 10X Genomics. Kromě toho izolovali organoidy v den 60 a kultivovali je s fibroblastovým růstovým faktorem (FGF) 7 a 10 až do dne 80, aby charakterizovali pozorované struktury větvení.

Gen SRY-box transkripčního faktoru 9 (SOX9) reguluje vývoj slinných žláz u myší a lidí. Při jeho nepřítomnosti nemohou slinné žlázy podléhat větvené morfogenezi. Proto vědci potlačili SOX9 během indukce hiSG, aby zjistili, zda hiSG rekapituluje proces vývoje zprostředkovaný SOX9.

Výsledky studie

Lidské slinné žlázy (hiSG) měly podobné vlastnosti jako embryonální slinné žlázy, včetně morfologických charakteristik, exprese proteinových markerů a charakteristik genové exprese. V souladu se studiemi in vivo prováděnými na myších knockdown SOX9 inhiboval tvorbu větví v hiPSC, což naznačuje, že tento gen je kritický pro vývoj lidských slinných žláz. Tento studijní model by tedy mohl nahradit zvířecí modely používané ke studiu vývoje lidských slinných žláz.

hiSG morfologicky a funkčně napodobovaly přirozené slinné žlázy. Nestranné shlukování scRNA-seq identifikovalo šest hlavních buněčných skupin, které jsou dále dělitelné na buněčné podtypy. Malá mezenchymální populace v HiSG nevykazovala rysy mezenchymu slinných žláz. Naproti tomu skupina epiteliálních buněk sestávala z pěti buněčných skupin: acinární, bazální, duktální, myoepiteliální a aktivně cyklující buňky. hiSG obsahovaly nezávislé linie bazálních myoepiteliálních buněk z duktálsko-acinární linie a pseudočasová analýza prokázala rozdíly mezi těmito dvěma buněčnými liniemi.

Základní funkcí slinných žláz je vylučovat acetylcholinem indukovanou tekutinu cestou muskarinových acetylcholinových receptorů. U hiSG vedla léčba karbacholem, agonistou muskarinového acetylcholinového receptoru, k přechodnému a na dávce závislému zvýšení hladin intracelulárního vápníku. Kromě toho ortotopicky transplantované hiSG vykazovaly fenotyp zralých slinných žláz transplantovaných do místa příjemce u myší v průběhu času.

Analýzy scRNA-seq a imunofluorescence také ukázaly, že duktální buňky v hiSG hojně exprimovaly ACE2 a TMPRSS2, podobně jako normální slinné žlázy. Metoda imunobarvení odhalila, že ačkoli duktální buňky na apikální straně hiSG silně exprimovaly ACE2, duktální buňky a acinární buňky exprimovaly TMPRSS2. Po kontaktu se SARS-CoV-2 se hiSG infikovaly a vykazovaly replikaci SARS-CoV-2 do 24 hodin od infekce. Autoři také objevili nukleoprotein SARS-CoV-2 v infikovaných duktálních buňkách. V souladu s tím test střední infekční tkáňové kultury (TCID50) ukázal infekční viry v hiSG, které dosáhly vrcholu za 24 hodin, ale později se snížily.

Závěry

Ve skutečnosti by hiSG vyvinuté v současné studii mohly sloužit jako cenný model pro reprodukci heterogenních buněčných populací v lidských slinných žlázách. Kromě toho by hiSG mohly podporovat funkční analýzu genů během vývoje a sloužit jako slibný nástroj pro studium infekcí SARS-CoV-2 ve slinných žlázách na molekulární úrovni. Kromě toho vědci ukázali, že hiSG má několik výhod ve srovnání s organoidy získanými z tkáňových kmenových progenitorových buněk ze slinných žláz dospělých lidí. Daly by se například snadno geneticky modifikovat pomocí nástroje pro úpravu genů CRISPR (shlukované pravidelně propojené krátké palindromické repetice) a protein 9 spojený s CRISPR (Cas9) a bylo relativně snadné je kultivovat.

Odkaz:

• Tanaka, J., Senpuku, H., Ogawa, M. et al. Vom Menschen induzierte pluripotente, aus Stammzellen gewonnene Speicheldrüsenorganoide modellieren die SARS-CoV-2-Infektion und -Replikation. Nat Cell Biol (2022). https://doi.org/10.1038/s41556-022-01007-6, https://www.nature.com/articles/s41556-022-01007-6#Sec7