Nature | 人类自免疫类器官模型揭示乳糜泻的病理过程

生物探索

2024-09-07 15:30发布于江苏科学领域创作者

引言

在日常生活中，经常能看到Gluten-free（无麸质）的食物，这是因为Gluten的摄入会引起乳糜泻（CeD）这种自身免疫性疾病的发病，CeD在全球范围内的发病率为1%【1】。Gluten是一种储藏蛋白质，主要存在于小麦、大麦和黑麦中。在CeD患者中，摄入Gluten会导致肠粘膜的破坏，特别是在携带MHC II等位基因HLA-DQ2或HLA-DQ8的个体中。Gluten衍生的gliadin肽在体内被组织转谷氨酰胺酶2（TG2）脱氨基化，引入负电荷，增强其与MHC II类分子的结合，最终引发Gluten特异性的CD4⁺ T细胞反应【2,3】。CD4⁺ T细胞如何引发细胞毒性T细胞反应尚未完全阐明，并且目前的研究缺乏能够同时包含组织和内源性免疫细胞的体外模型。虽然科学家已经在小鼠中构建了CeD发病模型，但是这些疾病模型缺乏完全的人类背景。

近日，来自美国斯坦福大学的Calvin J. Kuo课题组在Nature上发表了研究论文A human autoimmune organoid model reveals IL-7 function in coeliac disease。在本研究中，作者成功构建了保留小肠完整细胞和免疫微环境的类器官模型，从而重现CeD的Gluten诱导病理，并发现了IL-7在该过程中的新作用。

为了构建一个人类遗传背景的体外CeD模型，作者利用空气-液体界面（ALI）系统培养人类小肠内镜或手术活检片段形成的类器官，通过添加WNT3A、EGF、Noggin和R-spondin1的特殊培养基培养类器官。类器官内源性地存在许多基质细胞和上皮细胞，重要的是类器官中还存在CD45⁺造血细胞，包括CD3⁺ T细胞、CD14⁺单核细胞和巨噬细胞、CD19⁺ B细胞和浆细胞。CD8⁺ T细胞定位于上皮内，而CD4⁺ T细胞则定位于上皮下的特定区域。scRNA-seq分析显示，ALI小肠类器官保留了与新鲜肠道组织中相似的免疫细胞多样性和T细胞受体谱。此外，类器官中的CD8⁺ T细胞包含KIR⁺和NKG2C/NKG2D⁺亚群，这些细胞被发现有助于抑制自体免疫反应。

接下来，作者利用这种系统，从135名个体（81名CeD患者和54名正常对照捐赠者）收集十二指肠活检样本，对119名个体进行HLA基因分型和类器官生成，发现大多数CeD患者表达HLA-DQ2.5。研究人员用HLA-DQ2.5-glia-α1和HLA-DQ2.5-glia-α2肽处理类器官，以CLIP肽作为对照。研究发现，gliadin肽处理诱导了CeD类器官中上皮细胞的IL-15表达和上皮细胞标志物减少以及凋亡，而非CeD类器官没有类似反应；HLA-DQ2.5⁺类器官对gliadin肽反应显著，而HLA-DQ8⁺类器官没有反应；gliadin肽处理还增强了CeD类器官中上皮细胞的增殖和类器官的生长。这些结果证实作者构建的CeD类器官模型有效的模拟了临床组织活检中观察到的上皮破坏和代偿性增殖。此外，作者还研究了gliadin肽处理对CeD类器官中T细胞亚群的影响。结果表明，gliadin肽处理显著增加了CeD类器官中T细胞亚群的数量，特别是CD4⁺和CD8⁺ T细胞，并确认了Gluten特异性CD4⁺T细胞的存在。

作者进一步对三位CeD患者的类器官经过2天gliadin肽和CLIP肽处理后进行scRNA-seq分析，结果表明gliadin肽处理引发了CeD类器官中复杂的免疫反应，包括细胞毒性因子、趋化因子和细胞因子的上调，以及广泛的免疫网络交互，表明免疫信号通路的急性转换。抗体分析发现CeD类器官在gliadin肽处理后积极分泌抗TG2自身抗体，而对照类器官中几乎检测不到这些抗体。这表明CeD类器官有效重现了患者中抗TG2自身抗体的病理性产生，这一过程可以被MHC II限制的gliadin肽进一步刺激。利用CeD类器官的scRNA-seq数据和阻断实验，作者还发现IL-7在CeD中通过促进CD8⁺ T细胞中的NKG2C和NKG2D表达，参与上皮细胞杀伤，这一效应在CeD类器官中特异性很高。结合活检样本，作者认为gliadin肽可以在CeD类器官和患者活检样本中显著诱导IL-7的产生，IL-7主要集中在固有层区域，强烈表明IL-7是CeD病理过程中一个关键的、功能相关的介质。

总的来说，这项研究成功建立了一个保留上皮和免疫细胞多样性的ALI体外CeD类器官病理模型，重现了CeD的Gluten依赖性病理过程，揭示了IL-7在CeD中的关键作用，并为体外研究自身免疫疾病提供了新的方法。

1. Catassi, C., Verdu, E. F., Bai, J. C. & Lionetti, E. Coeliac disease. Lancet 399, 2413–2426 (2022).

2. Levescot, A., Malamut, G. & Cerf-Bensussan, N. Immunopathogenesis and environmental triggers in coeliac disease. Gut 71, 2337–2349 (2022).

3. Iversen, R. & Sollid, L. M. The immunobiology and pathogenesis of celiac disease. Annu. Rev. Pathol. 18, 47–70 (2023).

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArt”

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