人源化血管化巨噬细胞-胰岛类器官模型病毒感染引发的B细胞焦亡

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血管化巨噬细胞 胰岛类器官 B细胞焦亡 病毒感染 免疫介导

背景

新冠疫情爆发以来，SARS-CoV-2感染不仅对呼吸系统造成影响，也与糖尿病等代谢性疾病密切相关。临床观察发现，新冠感染者中存在新发糖尿病和原有糖尿病加重的情况，特别是1型糖尿病（Type 1 Diabetes, T1D）的发病率有所上升。这引发了研究者们的关注，探索病毒感染在胰腺损伤及糖尿病发病中的潜在机制。

与病毒感染相关的免疫介导损伤研究领域中，人类模型的匮乏限制了对病毒感染引起的宿主损伤机制的深层理解。为此，杨柳柳（Liuliu Yang）等人所在的科研团队借助空间多组学技术，详细分析了COVID-19胰腺自体组织样本中的免疫细胞变化，建立了人多能干细胞（Human Pluripotent Stem Cells, hPSCs）衍生的血管化巨噬细胞-胰岛类器官模型，用于模拟病毒感染诱导的胰岛B细胞焦亡（pyroptosis）。研究成果发表于《Cell Stem Cell》期刊。

研究方法

本研究通过多步骤实验设计，探索了SARS-CoV-2与柯萨奇病毒B4（Coxsackievirus B4, CVB4）感染对胰腺中免疫细胞及胰岛B细胞的影响。

样本分析

研究人员首先收集了COVID-19胰腺自体样本，利用GeoMx空间多组学平台，分析病毒感染对胰岛区域免疫细胞组成的影响。选取了胰岛、导管及外分泌区域的多个感兴趣区域（Region of Interest, ROI），结合形态标记物（胰岛素、全细胞角蛋白及TOTO-3染色）对COVID-19样本和对照组样本进行了系统分析。通过多组学检测发现，COVID-19患者胰岛区域中的促炎性巨噬细胞显著富集。

单细胞RNA测序分析

为进一步解析病毒感染对胰岛细胞的影响，研究团队利用单细胞RNA测序（Single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）分析了SARS-CoV-2或CVB4暴露下的人胰岛样本。分析显示，病毒感染激活了巨噬细胞中的促炎通路，同时诱导了胰岛B细胞的焦亡通路。此外，研究还在B细胞聚类中发现了自噬、铁死亡等其他细胞死亡通路的活化。

类器官构建

为了验证促炎性巨噬细胞是否会导致B细胞焦亡，研究人员进一步构建了血管化巨噬细胞-胰岛类器官（Vascularized Macrophage-Islet Organoids, VMI）。在此过程中，团队利用hPSCs衍生胰腺内分泌细胞、巨噬细胞和血管内皮细胞，将这些细胞在3D培养系统中重组形成VMI类器官。类器官中的细胞功能表现优于分开培养的hPSCs衍生细胞，特别是B细胞和内皮细胞的标志物表达及分泌功能更为成熟。电镜观察显示，类器官内的内皮细胞形成了透孔结构，支持细胞间物质交换。

细胞死亡机制的验证

VMI类器官暴露于SARS-CoV-2或CVB4病毒后，研究团队发现类器官内的巨噬细胞会吞噬受损的B细胞。进一步分析显示，暴露于病毒的类器官中促炎性巨噬细胞显著表达焦亡相关基因，并激活了TNFSF12-TNFRSF12A信号通路。为了验证此通路的作用，研究人员通过添加TNFSF12蛋白和中和抗体进行实验，发现TNFSF12通路阻断后B细胞焦亡显著减少。

研究结果

该研究系统揭示了病毒感染诱导的B细胞焦亡机制。空间多组学和单细胞RNA测序结果表明，COVID-19样本中的胰岛区域富集了促炎性巨噬细胞，且激活了焦亡通路。B细胞焦亡与巨噬细胞中的TNFSF12信号密切相关，通过阻断TNFSF12通路，B细胞焦亡得以减少。进一步研究还发现，IL-1β和TNFSF12共同作用能增加焦亡发生，这为解释COVID-19引起的胰岛损伤和糖尿病发病提供了新的视角。

研究意义

本研究开发的血管化巨噬细胞-胰岛类器官模型为研究免疫介导的胰岛损伤提供了强有力的工具，弥补了当前人类模型的缺失。通过该模型，研究人员深入揭示了COVID-19与糖尿病发生的可能关联机制，尤其是免疫细胞如何通过TNFSF12-TNFRSF12A信号诱导胰岛B细胞的焦亡。这为进一步研究病毒感染及免疫细胞介导的宿主损伤提供了理论支持，也为糖尿病及其并发症的预防和治疗提供了潜在的靶点。

研究的创新性体现在以下几点：

  1. 模型构建：首次利用hPSCs构建血管化的巨噬细胞-胰岛类器官，能够真实模拟免疫细胞与胰岛细胞的相互作用。
  2. 机制探索：通过多组学技术揭示了促炎性巨噬细胞通过TNFSF12-TNFRSF12A信号诱导B细胞焦亡的分子机制。
  3. 多通路分析：除焦亡外，研究还揭示了自噬、铁死亡等多种细胞死亡通路在病毒感染下的作用，这为理解胰岛损伤的复杂机制提供了更全面的视角。

研究展望

尽管该研究为COVID-19引起的胰岛损伤提供了新的解释，但由于COVID-19患者个体差异和胰腺自体样本的有限性，未来还需进一步扩大样本量，以验证促炎性巨噬细胞在不同患者中的表现。同时，VMI类器官的血管化功能尚未完全成熟，后续研究可以进一步优化培养条件，使类器官中的血管结构更加完善，以便更好地模拟人体内环境。此外，由于本研究观察到IL-1β在B细胞焦亡中的协同作用，未来可深入研究IL-1β与TNFSF12的交互作用，以期揭示焦亡通路的调控网络，从而为抗病毒和糖尿病治疗提供更精准的靶向策略。

该研究不仅在COVID-19的致病机制和糖尿病发病研究中取得了重要进展，也展示了类器官模型在免疫介导损伤研究中的应用潜力，为未来相关领域的研究提供了新的方向和技术支撑。