本期开始，小恒将为大家介绍肺部的类器官。肺类器官能够在体外模拟人体肺部的复杂结构与功能，是近年生物医学领域的重要进展。理解肺的基本组成和区域特异性干细胞，是构建和用好这类模型的关键。本文将回顾下肺部的主要结构与细胞类型，并整理六类肺相关类器官的来源、特点与应用。

图1 肺类器官[1]

1. 肺部简介

1.1 主要结构与功能

肺的核心功能是实现空气与血液之间的高效气体交换。为了完成这一任务，肺拥有复杂的三维分支管状结构，主要分为两个功能区：传导气道和呼吸区。

（1）传导气道：包括气管、支气管（有软骨支撑）和细支气管（无软骨支撑）。其上皮主要由基底细胞、分泌细胞（棒状细胞和杯状细胞）、纤毛细胞以及少量神经内分泌细胞和tuft细胞组成。传导气道的主要作用是湿润吸入的空气，通过黏液-纤毛清除系统捕获并排出病原体和颗粒物，同时发挥一定的先天免疫功能。

（2）呼吸区：主要指肺泡，是气体交换的最终场所。肺泡上皮由两种细胞构成：I型肺泡上皮细胞（AT1），极扁平，覆盖约95%的肺泡表面积，负责氧气和二氧化碳的交换；II型肺泡上皮细胞（AT2），呈立方状，分泌表面活性物质以降低肺泡表面张力，同时在损伤后可自我更新并分化为AT1细胞，因此被视为肺泡的干细胞。

1.2 与肺类器官形成相关的细胞类型

目前可用于建立肺相关类器官、具有干性的细胞类型主要有以下几种：

（1）基底细胞：主要分布于近端气道的基底层，在人类肺中可延伸至小支气管。它们是气道最主要的干细胞，能够自我更新，并分化为纤毛细胞和分泌细胞（如杯状细胞和棒状细胞），在气道上皮损伤修复中起核心作用。

（2）棒状细胞：位于细支气管区域，正常状态下可自我更新并分化为纤毛细胞，维持细支气管上皮的稳态。此外，棒状细胞具有较强的可塑性，在特定损伤条件下还能转分化为肺泡上皮细胞或基底细胞。

（3）AT2细胞：是肺泡区域的关键干细胞。它们既能自我更新以维持自身群体，又能在肺泡受损时分化为AT1细胞，从而恢复气体交换功能。

（4）细支气管肺泡干细胞（BASCs）：特指位于细支气管-肺泡交界处的一类双潜能干细胞。它们同时具备气道和肺泡的分化能力，可向棒状细胞、纤毛细胞以及AT2细胞等方向分化，在交界区的损伤修复中发挥独特作用。

（5）谱系阴性上皮祖细胞（LNEPs）：存在于远端细支气管。在严重肺损伤（如病毒感染）时，它们被激活，可分化为AT2细胞和AT1细胞以促进再生，也可转分化为基底样细胞以快速重建上皮屏障，其分化方向受局部微环境信号的调控。

图2 呼吸系统细胞组成[2]

2. 肺相关类器官

2.1 肺类器官简史[1]

关于肺类器官相关的研究始于1987年，Zimmermann利用小鼠胎肺细胞在气液界面培养形成肺泡样结构。2009年，Rock等建立了基于Matrigel的3D培养体系，使基底细胞自我更新并分化为含KRT14+和KRT8+细胞的“克隆球”。2010年，Franzdottir等通过人支气管上皮细胞系与内皮细胞共培养获得分支性细支气管肺泡样结构。2013年，Barkauskas等发现AT2细胞可形成含AT1细胞和AT2细胞的“肺泡球”。此后，研究成功从成体干细胞（ASC）和多能干细胞（PSC）中建立肺类器官，它们具备自我更新、多细胞类型组成及再生潜能，并已用于构建正常和疾病来源的肺类器官。

图3 肺类器官发展简史[1]

2.2 肺类器官分类[1， 3， 4]

根据来源的干细胞类型不同，肺类器官主要可分为以下几类：

图4 成人和小鼠肺干细胞来源类器官[4]

（1）气道基底细胞来源的类器官

该类器官来源于气道的基底细胞，后者表达p63、KRT5、NGFR等标志物。在Matrigel的3D培养体系中，基底细胞可自我组织形成球状结构，麻豆国产成人AV天堂外层为基底细胞，内层分化为纤毛细胞和分泌细胞（如杯状细胞）。人源基底细胞类器官可与人肺成纤维细胞（MRC5）共培养，以提高类器官的形成效率。该类器官主要用于研究气道上皮损伤修复、杯状细胞化生（与哮喘、慢阻肺相关），并已成功用于高通量药物筛选。

（2）气道分泌细胞来源的类器官

该类器官主要由棒状细胞（表达Scgb1a1）或BASCs（Scgb1a1与Sftpc双阳性）构建。由于分泌细胞在3D培养中依赖间充质细胞提供的微环境信号，通常与PDGFRα+肺成纤维细胞、LGR6+间充质细胞或肺内皮细胞共培养。根据支持细胞的类型和来源位置，可形成三种形态各异的克隆：支气管型（以纤毛和棒状细胞为主）、肺泡型（以AT2/AT1为主）和混合型（兼具气道与肺泡特征）。该类器官是研究细支气管-肺泡交界区损伤修复、细胞谱系可塑性及区域特异性再生的理想模型。

（3）AT2细胞来源的类器官

来源于表达Sftpc、HTII-280的AT2细胞，它是肺泡再生的内在干细胞，但它们在体外需要与支持细胞（如PDGFRα+肺成纤维细胞或MRC5）共培养才能形成稳定的“肺泡球”。在Matrigel中培养约14天后，形成外层为AT2细胞、内层为AT1细胞的极向结构。该类器官可用于研究AT2细胞的自我更新与向AT1细胞的分化、AT2细胞与间充质细胞的相互作用，以及肺泡损伤修复。在疾病建模方面，肺泡球已被广泛用于特发性肺纤维化和SARS-CoV-2感染研究。

（4）LNEPs来源的类器官

LNEPs是是一类存在于远端细支气管的稀有细胞，表型为p63+Krt5-、SOX2+、ITGB4+，而常规谱系标记物为阴性，如Scgb1a1、Sftpc、Foxj1。在严重肺损伤（如H1N1流感或博来霉素损伤）后，LNEPs被迅速激活。在体外，与PDGFRα+成纤维细胞共培养时，通过Wnt/β-catenin信号激活可促使其向肺泡上皮（AT2/AT1）分化，实现功能性再生；而缺氧条件下HIF1α活化则驱动其向Krt5+基底样细胞分化，虽然能快速重建上皮屏障，但难以恢复气体交换功能。该类器官为解析严重肺损伤后的异常再生机制提供了重要研究工具。

（5）hPSCs来源的类器官

hPSCs包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）。通过模拟肺胚胎发育的关键信号通路，可分阶段获得肺类器官。基本步骤包括：诱导形成定型内胚层 → 前肠内胚层 → 腹侧前肠内胚层（VAFE）。随后将VAFE球体包埋于Matrigel，并在FGF10、WNT激动剂、BMP抑制剂等因子作用下，可形成同时包含近端气道（基底细胞、纤毛细胞）和远端肺泡样结构（未成熟AT2细胞）的多肺叶结构，称为“人肺类器官”。转录组分析显示，这些类器官接近胎儿肺组织而非成人肺。若移植至免疫缺陷小鼠体内，可进一步提高成熟度。该类器官已用于模拟Hermansky-Pudlak综合征相关肺纤维化、RSV感染及SARS-CoV-2感染研究。

（6）肺癌类器官

来源于肺癌患者的手术切除标本、活检组织或胸腔积液中的肿瘤细胞，涵盖非小细胞肺癌（腺癌、鳞癌）和小细胞肺癌等主要亚型。肺癌类器官的培养体系与正常气道类器官相似，但为了抑制正常气道上皮的过度生长，常需添加Nutlin-3a（清除TP53野生型细胞）或采用特殊分选方法。该类器官高度保留原发肿瘤的组织学结构、遗传突变谱（如EGFR、KRAS、BRCA2等）以及PD-L1表达模式，并且药物反应与患者临床疗效具有良好相关性。目前已建立多个肺癌类器官生物样本库，用于抗癌药物高通量筛选、靶向药物敏感性预测和免疫治疗研究。通过CRISPR/Cas9对正常肺类器官进行逐步基因编辑，还可构建从正常到恶变的阶梯性肺癌模型，用于研究肿瘤起始和转移机制。

肺类器官除了肿瘤方面的研究，也被广泛应用于模拟多种肺部疾病，包括囊性纤维化、特发性肺纤维化、慢性阻塞性肺病与哮喘、以及呼吸道病毒感染等，为肺相关疾病的机制探索与未来肺再生和基因治疗提供了重要工具。

以上便是对肺部、肺类器官及其分类的介绍，希望能帮助大家初步了解肺类器官，接下来小恒将对每种类型的类器官展开介绍，下期是气道基底细胞来源的类器官，欢迎大家持续关注小恒学术~

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参考文献

[1]. Chen， J. and F. Na. Organoid technology and applications in lung diseases: Models， mechanism research and therapy opportunities. Front Bioeng Biotechnol， 2022， 10(1066869.

[2]. Kuhl， L.， P. Graichen， N. von Daacke， et al. Human Lung Organoids-A Novel Experimental and Precision Medicine Approach. Cells， 2023， 12(16):

[3]. Barkauskas， C.E.， M.I. Chung， B. Fioret， et al. Lung organoids: current uses and future promise. Development， 2017， 144(6): 986-997.

[4]. Lu， T.， Y. Cao， P. Zhao， et al. Organoid: a powerful tool to study lung regeneration and disease. Cell Regen， 2021， 10(1): 21.

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