造血人源化(Hematopoietic humanized, hu)小鼠（也稱為移植了人類造血干細胞的免疫功能低下的小鼠）是研究人類免疫反應和疾病（如癌癥和 COVID-19）的強大臨床前模型。然而，在hu小鼠中模擬人類T細胞免疫一直具有挑戰性，主要是因為 hu 小鼠缺乏人類胸腺(負責 T 細胞產生和選擇的主要淋巴器官)。盡管內源性小鼠胸腺可以為人類 T 細胞發育提供有限的支持，但在小鼠胸腺中產生的人類 T 細胞不能正確地與其他人類免疫細胞結合，因此無法產生有效的免疫反應。現有的唯一解決方案是將人類胎兒胸腺片移植到hu小鼠體內，但這種方法受到倫理問題和組織稀缺的阻礙。使用可再生細胞來源（例如可誘導多能干細胞 (iPSC)）生成人工人類胸腺，將能夠在 hu 小鼠中構建功能性人類T細胞區室，并擴大該模型在生物醫學研究和藥物發現中的用途。胸腺包含兩個主要的細胞區室：來自造血祖細胞(HPCs)的發育中T細胞的瞬時群體和包括胸腺上皮細胞 (TEC) 的駐留基質細胞。TECs在調節T細胞譜系分化和教育方面是必不可少的。鑒于此，匹茲堡Allegheny Health Network (AHN)的Yong Fan等人使用 3D 支架的組織工程方法，使得能夠通過用分離的胸腺上皮細胞重新填充脫細胞胸腺支架來構建功能性小鼠人工胸腺。
研究人員采用這種方法來生成人造人胸腺，為了克服人類TECs的可及性，研究人員使用多步誘導方案將 iPSCs 分化為胸腺上皮祖細胞 (iPSC-TEPCs)。使用 3D 藻酸鹽封裝技術來促進更有效的 TEPC 分化和成熟。用 iPSC-TEPC和HPC構建人造人胸腺，并測試其支持人類 T 細胞在 hu 小鼠中發育的能力。
圖|在 3D 藻酸鹽水凝膠膠囊中將人類 iPSCs 分化為 TEPCs關鍵TEC標記（如 FOXN1 和 KRT8）的表達在 3D iPSC-TEPC 中顯著高于源自 2D 分化的那些，證明了使用 3D 技術的優勢。這些發現與iPSC-TEPC的單細胞轉錄組分析結果一致。對 T 細胞發育關鍵標志物的流式細胞術分析證明了人造人胸腺在體外支持 T 細胞譜系編程進展的能力。
最重要的是，對移植了人類人工胸腺的 hu 小鼠的分析表明，人類 T 細胞的多樣化群體的發展，表達了復雜的 T 細胞受體 (TCR) 庫。T 細胞介導的細胞和或體液免疫反應，例如 TCR 參與時的促炎反應、同種異體腫瘤移植物生長的抑制和免疫球蛋白類別轉換，在這些小鼠中得到恢復，進一步表明功能性人類 T 細胞區室的發展。
圖|iPSC-胸腺類器官可以支持體外 T 細胞程序的進展
圖|在 hu.Thor 小鼠中開發功能性人類 T 細胞亞群
將動物研究的結果轉化為臨床常常受到模型和人類之間物種特異性差異的阻礙。在植入人工人類胸腺的hu小鼠中生成功能性人類 T 細胞群將大大增加該模型研究人類適應性免疫反應的可及性，并加速臨床前研究的轉化。隨著 iPSC 存儲庫的快速擴展，具有特定 HLA 成分的個體患者的 T 細胞免疫可以在 hu 小鼠中建模，以促進個性化醫療。從理論上講，胸腺工程技術的改進將使人們能夠從患者自己的 iPSC 中生成人造胸腺，用于治療原發性和獲得性免疫缺陷疾病。根據它們在胸腺中的定位，TECs 通常可以分為兩個功能不同的子集：皮質 TECs 和髓質 TECs。該團隊得下一個方法將側重于復制人工胸腺的幾何組織以改善其功能。iPSC-TEPC 將被誘導分化為特定的 TEC 子集。還將開發新的組織工程工具，以將 TEC 子集重新填充到胸腺支架內的特定區域。另一個重點領域將是改善 T 細胞和 B 細胞之間的相互作用，以在 hu 小鼠中獲得更強大的適應性免疫反應。1.Zeleniak, A., Wiegand, C., Liu, W. et al. De novo construction of T cell compartment in humanized mice engrafted with iPSC-derived thymus organoids. Nat Methods (2022).https://doi.org/10.1038/s41592-022-01583-32.A tissue-engineered artificial human thymus from human iPSCs to study T cell immunity. Nat Methods (2022).https://doi.org/10.1038/s41592-022-01584-2
