免疫学一区Nature子刊重磅综述！利用iMacs深化人类疾病建模研究
本文来源：盛合瑞类器官、类器官学社
巨噬细胞作为先天免疫细胞，对组织发育、体内稳态及发病机制至关重要，其研究为改善人类健康提供了新途径。诱导多能干细胞(iPS)产生巨噬细胞(iMacs)的能力，使我们能无限制获取基因型特异性细胞，模拟巨噬细胞失调的人类疾病。通过患者来源细胞或CRISPR-Cas9技术引入突变的iPS细胞，可生成携带疾病相关突变的iMacs，用于体外研究疾病病因学。为增强生理相关性，iMacs可与iPS细胞衍生的细胞或类器官共培养。本研究探讨了iMacs在人类疾病建模中的应用，提高了对巨噬细胞在健康和疾病中作用的认识。
文章介绍
题目：Induced pluripotent stem cell-derived macrophages as a platform for modelling human disease
杂志：Nature reviews immunology
影响因子：IF=67.7
发表时间：2024年9月
#1
研究背景
Background
传统上，缺乏足够数量的适当细胞类型用于体外分析一直是推进人类巨噬细胞在健康和疾病中的新知识的主要障碍。长期以来，胚胎种子组织巨噬细胞被认为在发育后期的所有组织中被单核细胞来源的巨噬细胞(MDMs)所取代。然而，谱系追踪和单细胞转录组学研究已经确定，一些器官（如大脑和肝脏）仅来自胚胎祖细胞，这些祖细胞在稳态下产生长期自我维持的胚胎源组织巨噬细胞。因此，使用转化的单核细胞和巨噬细胞细胞系，如人THP-1细胞，不能充分概括体内巨噬细胞的形式和功能。另一方面，患者特定情况下的原代人巨噬细胞难以用于可重复性研究。来源于外周血单核细胞和骨髓源性造血干细胞(HSCs)的人巨噬细胞是研究人巨噬细胞的主要来源。单核细胞通常通过巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF，也被称为CSF-1)培养分化为巨噬细胞样细胞，它是巨噬细胞分化和生存的关键因素。
除了个体发育的差异外，组织特异性特征决定了所有巨噬细胞群体在不同组织中分化的关键最后步骤。当巨噬细胞祖细胞到达组织后，它们根据亚组织壁龛提供的分子线索进行最终分化。随后，这些组织特异性特征——以表观遗传标记和转录因子为特征——定义了不同组织巨噬细胞群体的组织特异性特征或功能。当巨噬细胞从其组织分离时，它们会失去其组织特异性特征，而部分地获得移植组织的组织特异性特征，这一事实进一步加强了组织微环境在形成这些组织特异性特征方面的重要性。因此，为了正确地在体外模拟巨噬细胞的功能，与目标组织共培养通过设置特定的组织驻留身份来指导巨噬细胞分化的最后步骤。
干细胞生物学进展，特别是诱导多能干细胞(iPS)技术的出现，为巨噬细胞研究带来了革命性变化。iPS细胞可分化为iPS细胞衍生的巨噬细胞(iMacs)，为研究提供了无限细胞来源。利用CRISPR-Cas9等基因组编辑工具，可将疾病相关突变引入iPS细胞。目前，iMacs已被用于遗传性和传染性疾病及癌症的建模研究，其中巨噬细胞功能障碍在疾病进展中起重要作用。
#2
研究关键点
Key Points
基于人类iPS细胞的iMac生成已经能够产生具有特定基因型的巨噬细胞；
iMacs在模拟人类疾病方面（遗传性疾病、传染病、癌症研究）具有革命性的潜力；
通过重编程患者来源的细胞或使用CRISPR-Cas9技术引入靶向突变，来模拟特定疾病的巨噬细胞。
#3
关键研究结果
Key Results
1. 基于人iPS细胞的iMacs
稳定的iPS细胞系是通过重编程或去分化患者来源或健康供体来源的体细胞(如成纤维细胞和外周血单核细胞)而产生的。iPS细胞系的多能性是由特定的生长因子维持的，其向iMacs的分化是通过逐步分化程序实现的。目前，一些已发表的从iPS细胞生成iMacs的方案遵循了iPS细胞向中胚层谱系初始分化的共同框架。随后是造血内皮的形成，在内皮细胞向造血细胞过渡时产生造血祖细胞，最后分化为iMacs。尽管各种方案之间生成iMacs的一般原理是相似的，但方案的详细步骤存在相当大的差异，导致iMacs的效率、可扩展性和生物特性各不相同（图1、2）。从iPS细胞产生的iMacs要么来自携带遗传病相关突变的患者，要么来自随后引入基因突变以模拟病理的健康供体细胞。这使得iMacs成为疾病建模的理想候选者以及巨噬细胞生物学的发现工具。随着iPS细胞衍生的各种组织的类器官和球体的出现，包括脑、视网膜、肠道、肝脏、肾脏和肺组织，从iPS细胞中制造巨噬细胞的能力伴随着组织培养技术的范式转变。各种3D组织类器官的出现，比2D培养物更能模拟体内组织组织和模式，为研究巨噬细胞在健康和疾病中的组织特异性特征提供了一个平台。
图1 iMac不同生成方案的比较
图2 生成iMacs的各种方案的总结
2. 使用iMacs模拟人类疾病
通常情况下，患者原代细胞的有限可用性阻碍了罕见遗传疾病的研究。随着iPS细胞技术的出现，现在可以使用无限的疾病特异性细胞来研究这些遗传性疾病。同样，iMacs也被用于模拟与巨噬细胞功能相关的遗传疾病。通过将患者衍生的突变细胞重编程为iPS细胞，可以实现iMacs的疾病建模。等基因iPS细胞系在基于iPS细胞的疾病建模中起着重要的控制作用，这种疾病模型也可以通过诱导来实现。利用CRISPR-Cas9系统在来自健康供体的iPS细胞中靶向致病基因突变，生成的突变iPS细胞可以分化成iMacs来模拟遗传疾病，以验证已知的致病机制和/或发现新的病原体。iMacs在模拟遗传性疾病方面中的应用，包括Tangier病、Gaucher病、Blau综合征和慢性肉芽肿病（CGD）、家族性地中海热，此外还包括肺泡蛋白沉积症、炎症性肠病、慢性婴儿神经皮肤关节综合征。
3. 用iPS细胞衍生的小胶质细胞（iMicros）模拟遗传疾病
小胶质细胞是中枢神经系统的巨噬细胞，在大脑发育、免疫和体内平衡方面具有多种作用。小胶质细胞是在大脑中发现的主要免疫细胞类型，在胚胎发育早期，在血脑屏障形成之前就存在于大脑中，并以自我更新的能力持续一生。利用iMicros进行的研究有可能以患者特异性的方式促进我们对影响中枢神经系统的疾病的理解。
①阿尔茨海默病是一种神经退行性疾病，是全球痴呆症的主要原因。TREM2是一种由小胶质细胞表达的先天性免疫跨膜受体，其突变与阿尔茨海默病的高风险相关。在涉及TREM2(R47H)变体纯合或杂合iMicros的研究中，这些TREM2(R47H) iMicros表现出代谢缺陷，包括线粒体呼吸能力降低和“锁定”免疫代谢状态，其中iMicros在LPS和IFNy刺激下无法从氧化磷酸化(OXPHOS)转换为糖酵解。
②Nasu-Hakola病(NHD)也使用从患者源性iPS细胞纯合的iMicros进行建模，这些iPS细胞在TREM2中存在错义突变T66M或W50C。TREM2(T66M)和TREM(W5OC) iMicros均显示TREM2表达和分泌减少，细胞存活受损。
③帕金森氏病是一种进行性神经退行性疾病，由大脑黑质部分多巴胺能神经元的丧失引起，伴有α-synuclein聚集体的积累和路易小体的形成。一些早发性帕金森病是由SNCA基因(编码α-synuclein)的突变引起的。为了更好地了解帕金森病中SNCA突变的发病机制，使用SNCA(AS3T)突变或SNCA基因三倍扩增患者的iPS细胞产生突变iMicros。
综上所述，在过去的几年中，更多涉及iMicros的研究被用于模拟与小胶质细胞相关的疾病。预计iMicros在越来越多的神经系统疾病模型中的广泛应用将有助于我们进一步了解小胶质细胞在各种病理生理中的作用。
4. 使用iMacs模拟传染病
由于巨噬细胞作为免疫哨兵的经典作用，iMacs已被广泛用于传染病模型和研究宿主-病原体相互作用。引人注目的是，几种人类病原体在宿主感染后在巨噬细胞内持续存在并繁殖，使巨噬细胞处于这种宿主-病原体相互作用的中心。一些早期研究表明，iMacs表达巨噬细胞的经典标记物，产生细胞因子，更重要的是，iMacs可感染人类病原体，包括HIV-1、鼠伤寒沙门氏菌和伤寒沙门氏菌。这为进一步研究巨噬细胞是否可以被操纵来预防或清除感染开辟了领域。目前涉及研究iMacs的病毒感染和细菌感染。总之，这些研究表明，iMacs可能是模拟涉及巨噬细胞的致病疾病的关键工具。更好地了解巨噬细胞在疾病发病机制中的作用，可以为感染性疾病的新靶向治疗铺平道路。
5. 在癌症研究中使用iMacs
巨噬细胞可在肿瘤微环境中被重新编程，以执行促肿瘤和免疫抑制活性。肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)被生长的肿瘤募集，其比例与不良的疾病结局直接相关。因此，了解TAM在肿瘤微环境中的功能对于开发有效的治疗方法具有重要意义。
Senju等人率先利用iMacs对TAM生物学进行了研究，他们产生了iPS细胞衍生的骨髓细胞、树突状细胞和巨噬细胞，这些细胞经过基因修饰，以检测吞噬和趋化反应。基因修饰的iMacs表达了一种膜结合单链抗体(scFv)，该抗体特异性针对淀粉样蛋白-β，并显示出淀粉样蛋白-β特异性吞噬活性。其他表达CDD20特异性scFv的基因修饰iMacs在体外可以吞噬和消除BALL-1细胞，并将BALL-1细胞和这些iMacs转移到SCID小鼠体内。适应性细胞免疫疗法的出现，特别是CAR-T细胞，对抗血液系统恶性肿瘤，也为探索这种接近骨髓细胞的方法提供了可能性。对人类巨噬细胞进行基因改造以产生CAR-Macs，这表明该技术可以通过使用iMacs以患者特异性方式使用。Zhang等人利用CD19和间皮素特异性的人类iPS细胞开发了首次报道的CAR-iMacs。值得注意的是，CAR-iMacs在很大程度上是同质的，并且面向抗炎表型，但可以重新编程为促炎表型，并且能够在体外和体内靶向癌细胞。
6. iMacs在细胞治疗和再生医学中的应用
一些研究表明巨噬细胞在慢性肝损伤(包括肝纤维化)后组织损伤的消退中起作用。肝损伤小鼠模型的研究表明，巨噬细胞通过其抗炎或2型免疫功能介导受损组织的修复。研究还表明，iMacs可以极化为解决炎症的m2样表型。因此，iMacs具有激活和极化细胞的能力，并且能够接触到足够数量的细胞，这使得iMacs成为研究巨噬细胞在组织再生中的作用的理想工具。因此，基于iMacs的疾病建模也可以应用于研究巨噬细胞在解决组织损伤和帮助再生中的极化潜能。
7. iMacs和iMicros与iPS细胞衍生类器官的共培养
iMacs与iPS细胞衍生的脑类器官的同基因共培养为研究iMacs在体外组织微环境中的微观形态和功能提供了模型。iMacs与脑类器官共培养导致其进入类器官内迁移，并分化为iMicros。重要的是，iMicros的存在导致脑类器官的体积减小，这归因于iMicros的胆固醇输出。有趣的是，iMicros分泌的胆固醇被神经祖细胞吸收，这影响了它们的增殖和成熟。值得注意的是，早期人类和小鼠胎儿脑切片显示，小胶质细胞内和周围有大量脂滴，这说明了小胶质细胞和神经元细胞之间代谢互导的保守性。
也有几项研究涉及视网膜类器官中的iMicros，其中一些研究报告了iMacs在视网膜类器官发育过程中的先天发育，而另一些研究则采用了将iMacs整合到视网膜类器官中的策略。Lavekar等人利用视网膜类器官与iMacs的三维共培养，研究了阿尔茨海默病相关视网膜表型的早期特征。同样，许多研究试图通过将iMacs整合到人类iPS细胞衍生的类器官中来研究组织内巨噬细胞的形态和功能。总之，iMacs与组织类器官的共培养为在发育和疾病过程中模拟组织内巨噬细胞表型以及探索它们在这些环境中的生物学作用提供了一个平台。
小结
到目前为止，iMacs已被用于模拟各种遗传和传染性疾病和癌症，研究宿主-病原体相互作用，作为药物筛选以及细胞和再生疗法的平台。利用来自患者来源的细胞的iMacs或通过将致病突变引入来自健康供体细胞的iMacs进行疾病建模，使研究人员能够概括不同疾病的细胞和分子特征。重要的是，这种策略有望揭示控制这些疾病的分子机制，然后可以靶向治疗。在未来几年，预计会有更多的疾病将使用iMacs进行建模——这将与巨噬细胞失调具有关键作用的疾病相关，例如自身免疫性和炎症性疾病。利用iMacs的未来研究方向将满足利用不同药物产生各种疾病的分子靶点进行治疗干预，以及利用CAR-iMacs等基因修饰的iMacs进行个性化治疗的细胞替代策略。
参考文献
Tiwari SK, Wong WJ, Moreira M, Pasqualini C, Ginhoux F. Induced pluripotent stem cell-derived macrophages as a platform for modelling human disease. Nat Rev Immunol. 2024 Sep 27. doi: 10.1038/s41577-024-01081-x. Epub ahead of print. PMID: 39333753.
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本文来源：盛合瑞类器官、类器官学社