PNAS：香港大學成功建立成熟的呼吸道「類器官」，助力預測新發流感病毒的感染性

新聞 06-14

導讀

流感病毒嚴重威脅著全球的健康。不斷的基因突變和基因重組會導致新的流感病毒的產生，並進一步導致病毒跨物種從動物傳播到人類，引起人類感染甚至流行性爆發。目前尚無滿意的檢測方法可以預測新發的流感病毒是否可以感染人類。近日，香港大學微生物學系袁國勇教授及周婕博士與荷蘭Hubrecht研究所Hans Clevers教授團隊合作，成功研發以成體幹細胞培養成熟的呼吸道類器官，可以模擬人類呼吸道上皮組織，並可以用來預測新發流感病毒對人類的感染性。該項創新的培養技術已經申請了美國專利，相關研究以「Differentiated human airway organoids to assess infectivity of emerging influenza virus」為題，發表於2018年6月11日的最新一期《美國國家科學院的院刊》（PNAS）。

研究背景

從2013年開始，禽流感病毒H7N9接連導致人類感染和疫情爆發，但在家禽中同時存在的H7N2禽流感病毒卻很少感染人類。同樣來源於豬流感病毒的突變型的甲型H1N1流感病毒，從2009年開始引起全球大流行，但普通的豬流感病毒H1N1則很少感染人類。流感病毒種類多，亦有機會出現基因突變，由家禽等感染人類。如何預測這些潛在風險？目前尚無滿意的體外模型來評估新病毒在人類中的傳染性。而類器官技術利用幹細胞直接誘導生成三維組織模型，為人類生物學研究提供了強大的方法。

類器官：屬於三維（3D）細胞培養物，包含其代表器官的一些關鍵特性。此類體外培養系統包括一個自我更新幹細胞群，可分化為多個器官特異性的細胞類型，與對應的器官擁有類似的空間組織並能夠重現對應器官的部分功能，從而提供一個高度生理相關係統。

結果速覽

1. 研究團隊利用少量肺組織中的成體幹細胞培養出三維（3D）生長的呼吸道類器官。經過誘導分化之後，成熟的呼吸道類器官可以模擬人類呼吸道上皮組織中細胞的組成，蛋白酶的生成以及纖毛的運動。該呼吸道類器官包括了四種呼吸道上皮細胞：纖毛，杯狀，棒狀和基底細胞。此外，分化條件誘發的絲氨酸蛋白酶水平升高，對人流感病毒和低致病性禽流感病毒的生產感染至關重要。

Fig. 1. Demonstration of four types of airway epithelial cells and replication of influenza viruses in human AOs.

AOs：ASC-derived airway organoids

Fig. 2. PD of human AOs

PD：proximal differentiation

Fig. 3. Characterization of the differentiation status of AOs.

2. 研究團隊再將三維（3D）的呼吸道類器官進一步發展成為可以在半透膜上生長的二維（2D）的類器官。二維（2D）的呼吸道類器官可以讓研究者直接在類器官上皮細胞的頂端進行病毒感染，這樣模擬了自然情況下病毒感染人類呼吸道的方式。研究團隊用兩對已知感染性的病毒在三維（3D）和二維（2D）的成熟呼吸道類器官中進行測試，發現感染人類的H7N9和H1N12009流感病毒的感染能力，遠遠高於所對應的H7N2和普通豬流感病毒H1N1。該研究證明，新研發的成熟的呼吸道類器官可模擬已知病毒的感染能力，並可以用來預測新發流感病毒對人類的感染性。

Fig. 4. Influenza virus infection in the 3D PD AOs.

Fig. 5. Establishment of 2D differentiated AOs and replication capacity of influenza viruses.

結語

研究團隊以人類的成體幹細胞所建立的人呼吸道類器官可以進行長達一年的擴增培養，經誘導分化後，成功模擬自然情況下病毒對人類呼吸道的感染方式，成熟的呼吸道類器官可以用來檢測新型呼吸道病毒感染人類的能力。該創新性的發現為人類呼吸系統生理和疾病提供了一個嶄新的研究平台。

袁國勇教授

袁國勇教授1981年畢業於香港大學醫學院，是傑出的微生物學家，傳染病專家和外科醫生。他首先確認SARS是由冠狀病毒，而不是其他的衣原體或其他病因形成，被譽為「抗SARS英雄」。2004年，他獲香港特別行政區政府頒授「銀紫荊星章」以表彰他對抗SARS病毒的努力。袁教授2007年當選中國工程院院士。他同時也是港科院院士、英國皇家內科學院、外科學院和病理學院院士。

媒體報道作者如是說

袁國勇教授稱，已知感染人的流感病毒有170種，類器官初步已對禽流感H7N9病毒、豬流感病毒突變型的甲型H1N1進行檢測，發現感染人類的H7N9和H1N1(2009)的感染力，較對應的病毒H7N2和普通豬流感病毒H1N1高出一千倍，證明類器官能模擬已知病毒的感染能力，相信也可用於預測新流感病毒，例如可檢測近日出現在狗身上的新流感病毒。

袁國勇教授補充，現有的流感病毒檢測方法，包括過往用腫瘤細胞進行測試，但腫瘤細胞不能代表人類的肺部；人呼吸道上皮細胞、人正常肺組織則不能培養或存活時間很短，難以保持檢測準繩度；至於傳統的小鼠實驗，並不能代表人，猴子實驗亦成本過高。他表示，成體幹細胞培養的類器官可避免上述情況，研究結果已申請美國專利。

港大醫學院微生物學系研究助理教授周婕解釋，二維類器官進行病毒感染，更貼近人體肺部在自然情況下病毒感染呼吸道的整個過程，而三維類器官是培養的必經過程。

「呼吸道類器官可以模擬呈現已知病毒的感染性，並可以用來預測新發流感病毒對人類的感染能力，這一研究發現對推進人類疾病研究有重大意義。」周婕博士表示，類器官技術是近年來人類生命科學領域內的重要突破，它使得人體的很多生物學過程可以在體外的培養皿中進行。

ABSTRACT

Novel reassortant avian influenza H7N9 virus and pandemic 2009 H1N1 (H1N1pdm) virus cause human infections, while avian H7N2 and swine H1N1 virus mainly infect birds and pigs, respectively. There is no robust in vitro model for assessing the infectivity of emerging viruses in humans. Based on a recently established method, we generated long-term expanding 3D human airway organoids which accommodate four types of airway epithelial cells: ciliated, goblet, club, and basal cells. We report differentiation conditions which increase ciliated cell numbers to a nearly physiological level with synchronously beating ciliareadily discernible in every organoid. In addition, the differentiation conditions induce elevated levels of serine proteases, which are essential for productive infection of human influenza viruses and low-pathogenic avian influenza viruses. We also established improved 2D monolayer culture conditions for the differentiated airway organoids. To demonstrate the ability of differentiated airway organoids to identify human-infective virus, 3D and 2D differentiated airway organoids are applied to evaluate two pairs of viruses with known distinct infectivity in humans, H7N9/Ah versus H7N2 and H1N1pdm versus an H1N1 strain isolated from swine (H1N1sw). The human-infective H7N9/Ah virus replicated more robustly than the poorly human-infective H7N2 virus; the highly human-infective H1N1pdm virus replicated to a higher titer than the counterpart H1N1sw. Collectively, we developed differentiated human airway organoids which can morphologically and functionally .

類器官（Organoids）技術：生命（至少）是在三維空間中發生並存在的，利用在培養皿中形成的平層細胞開展生命的分子細胞學研究具有很大的局限性，無法揭示生物學的全部事實。類器官技術也是在這一背景下應運而生。

類器官屬於三維（3D）細胞培養物，包含其代表器官的一些關鍵特性。此類體外培養系統包括一個自我更新幹細胞群，可分化為多個器官器官特異性的細胞類型，與對應的器官擁有類似的空間組織並能夠重現對應器官的部分功能，從而提供一個高度生理相關係統。

這項技術始於2009年，荷蘭Hubrecht研究所的Clevers團隊成功的將成體幹細胞培養成為小腸的隱窩和絨毛結構。

2011年，該領域再次獲得突破，日本RIKEN發育生物學中心的研究人員將胚胎幹細胞構建成為視杯結構。

2013年，來自日本、德國、美國的科研人員分別構建出肝芽、迷你腎和微型大腦，使該領域獲得了國際的廣泛關注，並被Science評選為2013年的十大突破。

近年來，該技術不僅在更多種類的組織器官構建中獲得了突破，在疾病研究、藥物篩選、藥物毒理測試等領域也展現出作為組織模型的應用潛力。

2017年底，Nature Methods將其確定為2017年的年度技術，再次凸顯了該技術的巨大發展潛力，未來該領域有望引起全球更大範圍的研究熱潮。

Nature Methods 如此評價類器官（Organoids）技術：利用幹細胞直接誘導生成三維組織模型，為人類生物學研究提供了強大的方法，目前對於這種工具的研究正在不斷發展進步中。

Science: 06/07/2013, Vol340 Issue 6137

Nature Methods:January 2018 Volume15No1

參考文獻：

1. Jie Zhou, Cun Li, Norman Sachs, Man Chun Chiu, Bosco Ho-Yin Wong, HinChu, Vincent Kwok-Man Poon, Dong Wang, Xiaoyu Zhao, Lei Wen, Wenjun Song,Shuofeng Yuan, Kenneth Kak-Yuen Wong, Jasper Fuk-Woo Chan, Kelvin Kai-Wang To,Honglin Chen, Hans Clevers, and Kwok-Yung Yuen.Differentiated human airwayorganoids to assess infectivity of emerging influenza virus.PNASJune 11, 2018.201806308;

2. 新華社：港大發現疾病研究新平台

http://www.sohu.com/a/235238983_267106

3. 人民網：港大科研團隊成功模擬病毒感染人類呼吸道方式

http://www.cnr.cn/sxpd/ws/20180612/t20180612_524268121.shtml

4.中國新聞網：香港大學造「肺」用來預測新流感病毒監控傳播

http://news.sina.com.cn/o/2018-06-12/doc-ihcufqih5553354.shtml

5. 港大科研| 港大成功研發人體「類器官」，冀助預測新型流感病毒

6. 衡中香港留學事務處：成功建立成熟的呼吸道類器官用以預測新發流感病毒的感染性

本期編輯：Annabella

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