Oamenii de știință dezvoltă organoizi ale glandelor salivare umane pentru a testa infectarea SARS-CoV-2

Oamenii de știință dezvoltă organoizi ale glandelor salivare umane pentru a testa infectarea SARS-CoV-2

Într-un studiu publicat recent în jurnal Biologie celulară naturală Cercetătorii au demonstrat in vitro susceptibilitatea glandelor salivare la infecția cu coronavirus-2 (SARS-CoV-2) cu sindrom respirator acut sever, folosind un model de cultură organoide.

Studiu: Infecția și replicarea cu SARS-CoV-2 cu organoizi ale glandelor salivare derivate din celule stem pluripotente induse de om. Credit foto: NIAID

fundal

Deși sistemul respirator, inclusiv tractul respirator superior (URT) și plămânii, sunt principalele ținte ale SARS-CoV-2, există tot mai multe dovezi că acesta afectează mai multe organe. De exemplu, mucoasa bucală și glandele salivare exprimă pe scară largă doi factori de intrare SARS-CoV-2, enzima de conversie a angiotensinei 2 (ACE2) și serin proteaza transmembranară 2 (TMPRSS2). Ele servesc, de asemenea, drept rezervor pentru SARS-CoV-2.

Interesant este că 80% dintre infecțiile cu SARS-CoV-2 sunt asimptomatice. În plus, studiile au raportat că SARS-CoV-2 vizează glandele salivare umane și virionii infecțioși din saliva persoanelor asimptomatice contribuie la transmiterea în continuare a virusului.

Datorită capacității SARS-CoV-2 de a infecta mai multe tipuri de organoizi, un model de cultură organoide se poate dovedi adecvat pentru a detecta infecția cu SARS-CoV-2 în glandele salivare (in vitro). Cu toate acestea, din cauza lipsei de modele in vitro adecvate, studiile nu au reușit să elucideze mecanismele care stau la baza infecției și replicării SARS-CoV-2 în glandele salivare și secreția ulterioară în salivă.

Despre studiu

În studiul de față, cercetătorii au generat organoizi funcționali ale glandelor salivare din celule stem pluripotente induse umane (hiPSC) cu caracteristici morfologice și funcții fiziologice similare (in vivo) cu glandele salivare umane. În plus, acești organoizi aveau linii celulare specifice glandei salivare.

Echipa a efectuat secvențierea acidului ribonucleic cu o singură celulă (scRNA-seq) a celulelor hiSG în ziua 80 folosind platforma 10X Genomics. În plus, au izolat organoizii în ziua 60 și i-au cultivat cu factorul de creștere a fibroblastelor (FGF) 7 și 10 până în ziua 80 pentru a caracteriza structurile de ramificare observate.

Gena factorului de transcripție SRY-box 9 (SOX9) reglează dezvoltarea glandelor salivare la șoareci și oameni. În absența acesteia, glandele salivare nu pot suferi morfogeneză ramificată. Prin urmare, cercetătorii au suprimat SOX9 în timpul inducției hiSG pentru a afla dacă hisSG-urile au recapitulat procesul de dezvoltare mediat de SOX9.

Rezultatele studiului

Glandele salivare induse de om (hiSGs) au avut proprietăți similare cu glandele salivare embrionare, inclusiv caracteristici morfologice, expresia markerului proteic și caracteristicile expresiei genelor. În concordanță cu studiile in vivo efectuate la șoareci, distrugerea SOX9 a inhibat formarea de ramuri în hiPSC, sugerând că această genă este critică pentru dezvoltarea glandelor salivare umane. Astfel, acest model de studiu ar putea înlocui modelele animale folosite pentru a studia dezvoltarea glandelor salivare umane.

HiSG-urile au imitat morfologic și funcțional glandele salivare naturale. Agruparea imparțială scRNA-seq a identificat șase grupuri de celule majore care sunt mai departe divizibile în subtipuri celulare. Populația mezenchimală mică din HiSG nu a prezentat caracteristici ale mezenchimului glandelor salivare. În schimb, grupul de celule epiteliale a constat din cinci grupuri de celule: celule acinare, bazale, ductale, mioepiteliale și cu cicluri activ. HiSG-urile au cuprins linii independente de celule mioepiteliale bazale din linia ductal-acinară, iar analiza pseudotimpului a demonstrat diferențele dintre aceste două linii celulare.

Funcția de bază a glandelor salivare este de a secreta fluidul indus de acetilcolină prin căile receptorilor muscarinici de acetilcolină. În hisSG, tratamentul cu carbacol, un agonist muscarinic al receptorului de acetilcolină, a dus la o creștere tranzitorie și dependentă de doză a nivelurilor de calciu intracelular. În plus, hisSG-urile transplantate ortotopic au prezentat fenotipul glandelor salivare mature transplantate la un loc receptor la șoareci de-a lungul timpului.

Analizele scRNA-seq și imunofluorescență au arătat, de asemenea, că celulele ductale din hiSG-uri au exprimat abundent ACE2 și TMPRSS2, similar cu glandele salivare normale. Metoda de imunocolorare a relevat faptul că, deși celulele ductale de pe partea apicală a hisSG-urilor au exprimat puternic ACE2, celulele ductale și celulele acinare au exprimat TMPRSS2. La contactul cu SARS-CoV-2, hisSG s-au infectat și au arătat replicarea SARS-CoV-2 în 24 de ore de la infectare. Autorii au descoperit, de asemenea, nucleoproteina SARS-CoV-2 în celulele ductale infectate. În consecință, testul de cultură de țesut infecțios mediu (TCID50) a arătat viruși infecțioși în hisSG care au atins vârful la 24 de ore, dar au scăzut mai târziu.

Concluzii

De fapt, hiSG-urile dezvoltate în studiul actual ar putea servi ca un model valoros pentru reproducerea populațiilor de celule eterogene în glandele salivare umane. Mai mult, hiSG-urile ar putea sprijini analiza funcțională a genelor în timpul dezvoltării și ar putea servi ca un instrument promițător pentru a studia infecțiile cu SARS-CoV-2 în glandele salivare la nivel molecular. În plus, cercetătorii au arătat că hisSG-urile aveau mai multe avantaje în comparație cu organoizii derivati ​​din celulele progenitoare stem tisulare din glandele salivare umane adulte. De exemplu, acestea ar putea fi modificate genetic cu ușurință folosind instrumentul de editare a genelor CRISPR (repetări palindromice scurte interspațiate în clustere regulat) și proteina 9 asociată CRISPR (Cas9) și au fost relativ ușor de cultivat.

Referinţă:

• 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