人类胚胎干细胞治疗肺损伤的免疫耐受新策略

Lung diseases remain a significant and devastating cause of morbidity and mortality worldwide. Chronic obstructive pulmonary diseases (COPDS) is expected to become the third leading cause of death by 2030. And new therapeutic options are desperately needed. Human embryonic stem cells (hESCs) retain the properties of self-renewal and pluripotency, which means they could be differentiated to any type of cells in the body in principle. The unique features of hESCs lead to great potential in regenerative medicine, and hESCs-based cell therapy holds promise to treat lung disease in the future. However, transplant rejection remains a major obstacle for stem cell therapy. Traditional immunosuppression regimens generally need lifelong medication and have severe side-effects. In our previous work, we demonstrated that knocking CTLA4-Ig and PD-L1 into hESCs to inhibit T cell activities could protect hESCs-derived fibroblasts and cardiomyocytes from immune rejection in an immune system-humanzed mouse model, while had no broad suppressive effect on the whole immune system. In this proposal, we aim to test whether this strategy could be applied in the setting of a hESCs-based cell therapy for lung injury. To this end, we are going to establish a lung injury model in the humanized mice, deliver gene-modified hESCs-derived alveolar type II epithelial cells to the damaged lung by orthotopic transplantation, and check immune rejection response and therapeutic efficacy. Using this novel lung injury animal model, we could test the efficacy of immune tolerance strategy, and might finally promote the clinic application of hESCs-based cell therapy for lung diseases.

肺部疾病是发病率和死亡率都很高的疾病，严重威胁人类健康，迫切需要寻找新的治疗方法。人类胚胎干细胞（hESCs）具有自我更新和多能性的特征，可分化出机体内任何一种类型的细胞，在再生医学中具有巨大的应用潜力，有可能开发出肺部疾病治疗的新方法。然而，移植免疫排斥却严重阻碍干细胞治疗的临床应用，传统的免疫抑制剂疗法，病人往往需要终生用药，副作用强。我们前期工作发现，基因敲入CTLA4-Ig和PD-L1来抑制T细胞活性，可在免疫系统人源化小鼠中保护hESCs分化的成纤维细胞和心肌细胞，同时不引发系统性的免疫抑制。本课题将深入探讨此策略是否可以应用于胚胎干细胞治疗肺损伤：我们将在人源化小鼠中构建肺损伤模型，原位移植基因修饰的hESCs所分化的肺泡上皮细胞，检测免疫排斥反应和治疗效果。利用这个新的肺损伤模型，本课题可测试移植免疫抑制策略的有效性，并最终有可能推动肺部疾病干细胞疗法的临床转化。

肺部疾病的发病率和死亡率都很高，严重威胁人类健康，新冠疫情的全球大流行则是一个明证，因此，迫切需要开发新的肺部疾病治疗方法。人类胚胎干细胞（hESCs）具有自我更新和多能性的特性，可分化出人体内任何一种细胞，在再生医学中具有极大的应用潜力，有可能开发出肺部疾病治疗的新方案。在本项目中，我们结合新兴的CRISPR基因编辑技术和类器官技术，开发和优化了三种hESCs分化为肺类器官的策略，得到上皮细胞和间质细胞均衡的肺类器官、以气道上皮细胞为主的气道类器官和以肺泡上皮为主的肺泡类器官。在萘诱导的气道损伤和博来霉素诱导的肺泡损伤模型中，肺类器官细胞移植可以实现体内肺上皮的结构重建，并适度改善气道的通气功能和肺泡的气体交换功能。利用人源肺类器官，我们鉴定出Club细胞为新冠病毒的嗜性细胞并发现肺上皮细胞的代谢紊乱，尤其是脂代谢异常。另外，由于肺类器官分化策略探索所需，我们开发了一系列新的基于CRISPR/Cas9系统的新技术，包括基于Cpf1的内源性基因激活技术、基于Cas9-p300的多基因同时激活和敲除技术、基于Cas9-N57的外源DNA高效靶向整合技术、基于SynNotch受体和Cas9的细胞相互作用触发的基因编辑技术、以及基于Cas9和mNeonGreen的高效基因组位点实时活体标记技术。这些技术既可以应用于干细胞和发育领域，研究包括发育、稳态和再生等细胞命运决定的相关的基础研究问题，也可以应用于细胞治疗领域，开发高效、安全和靶向性的CAR-T和其他治疗用的功能性种子细胞，对于基础研究和转化研究都具有重大价值。因此，通过本项目的研究，我们不仅开发出人胚胎干细胞分化为肺类器官的方案，并初步探索了利用肺类器官细胞作为种子细胞治疗肺损伤的有效性和安全性，同时也开发出几种基础性的技术，对更广泛的生物学研究和医学研究提供有益的帮助。