经定点基因改造的mESC衍生的II型肺泡上皮细胞移植对小鼠COPD肺损伤的修复研究

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is characterized by a persistent airflow limitation. Reduction of the elastic recoil of the lung through the collapse of alveoli and small airways by parenchymal destruction is one of the major reasons, but no effective treatment is available to alleviate or reverse this destruction. As the progenitor cells of alveolar epithelium, alveolar type II epithelial cells (ATII) are particularly crucial during the restoration of damaged alveoli after injury. However, no researchers has tried to repair the pulmonary injuries in COPD through ATII cells transplantation. Recently, ATII cells have been differentiated from embryonic stem cells (ESCs), induced pluripotent stem cells and mesenchymal stem cells respectively, however, these procedures are not efficient, generating only a very small percentage of ATII cells mixed with many pluripotent cells in different stage of differentiation, which carries a significant risk of producing teratomas after transplantation in vivo. To explore new regenerative therapeutic strategies for COPD, this proposal tries to use a pure population of ATII cells derived from a site-specifically genetically modified mESC line to repair the pulmonary injuries in COPD by intratracheal transplantation, and investigate the effects on inflammatory cell infiltration, cell apoptosis and oxidative damage.

慢性阻塞性肺疾病(COPD)以持续性气流受限为特征，主要原因之一是炎症过程造成肺实质破坏，肺泡和小气道塌陷，使得肺弹性收缩力下降。仅靠药物治疗很难逆转这一现象。II型肺泡上皮细胞(ATII)被认为是肺泡上皮的前体细胞，其增殖和转化与肺泡的损伤修复关系密切。目前还没有研究尝试通过ATII细胞移植来修复COPD的肺损伤。近年来，ATII细胞在体外陆续由胚胎干细胞、诱导的多能干细胞和各种间充质干细胞分化而来。但其普遍的不足是分化效率低、混杂有各阶段的前体细胞，有致畸胎瘤的风险。本研究拟采用经定点基因改造的小鼠胚胎干细胞(mESC)来源的高纯度ATII细胞(mESC-ATII)，通过气管内插管移植给熏烟造成COPD的小鼠，观察对肺损伤的修复作用，并探讨其对炎性细胞浸润、细胞凋亡和氧化损伤的影响，为开辟新的COPD的再生治疗策略提供实验基础。

项目的研究背景：不完全可逆性气流受限是COPD的重要特征，主要原因之一是炎症过程造成肺实质破坏，肺泡和小气道塌陷，使得肺弹性收缩力下降。因此，减缓肺结构破坏的进程或重建损坏的肺结构成为COPD的治疗方向。通过肺泡上皮的前体细胞ATII细胞移植来修复COPD的肺损伤是比较新的尝试。本研究通过熏烟造成小鼠COPD，经气管内插管移植mESC-ATII细胞COPD小鼠，观察对肺损伤的修复作用，并探讨其对炎性细胞浸润、细胞凋亡和氧化损伤的影响。本项目的主要研究内容包括：1）体外获得可用于移植的高纯度mESC-ATII细胞；2）建立熏烟导致的COPD小鼠模型；3）气管内插管移植mESC-ATII细胞给COPD小鼠；4）比较不同处理组小鼠肺损伤的差异并探讨可能机制。重要结果及关键数据:1) 在体外诱导经基因改造的mESC细胞分化，获得高纯度的（99%以上）mESC-ATII细胞，这些细胞具有正常ATII细胞的结构特点和生物学功能，可以成为移植细胞的可靠来源。2) 本实验条件下C57BL/6小鼠通过被动规律熏烟发生COPD的时长平均需要7个月。3) 利用气管内插管在熏烟造成COPD的早中晚期分别给予多次mESC-ATII移植可显著改善COPD小鼠的肺组织病理损伤，而在COPD晚期给予单次mESC-ATII移植对COPD小鼠的肺损伤无明显改善。4）mESC-ATII移植可显著改善COPD肺损伤可能与其减少肺泡内炎性细胞浸润、细胞凋亡和氧化损伤有关。科学意义：本项目证实外源ATII细胞移植可以改善COPD的肺损伤，对发展新的安全有效的COPD再生治疗策略具有重要意义。