Cell Stem Cell | 利用iPSC構建模擬人產前腎上腺皮質功能分區動態的類器官

撰文 |章臺柳

腎上腺皮質是類固醇激素產生的主要內分泌部位，在出生后組織成三個功能區帶：球狀帶、束狀帶和網狀帶。這種層次化的組織結構形成了功能分區，即分子和功能上不同的類固醇生成單元在空間上分隔成離散的皮質層，每一層都由其自身的調控信號所支配。在人類中，腎上腺皮質的分區最早出現在產前，隨著定型區、過渡區和胎兒區的形成而建立，從而實現垂體促腎上腺皮質激素依賴的妊娠期類固醇生成。在原發性腎上腺皮質功能不全中，這種平衡的破壞會導致ACTH驅動的女性胎兒男性化以及出生后危及生命的皮質醇缺乏癥。因此，理解產前和出生后腎上腺皮質轉分化的發育起源和分子基礎，對于闡明疾病發病機制和推進再生治療至關重要。

人腎上腺的器官發生始于受孕后約3-4周腎上腺源性體腔上皮的命運特化，隨后在約5周時建立腎上腺原基，最終形成功能不同的區帶：位于外周、具有推定祖細胞潛能的定型區，中間的產皮質醇過渡區，以及產生雄激素的最內層胎兒區。這些產前結構大致分別對應于出生后的球狀帶、束狀帶和網狀帶，但有一個關鍵區別：定型區缺乏CYP11B2表達和產生醛固酮的能力，這種能力僅在妊娠晚期定型區向球狀帶轉變時才出現。在小鼠中，胎兒區和定型區是從腎上腺原基獨立產生的，并且定型區似乎不對胎兒區有貢獻。相比之下，人類scRNA - seq表明，胎兒區既可以直接從腎上腺原基產生，也可以通過定型區向胎兒區的轉分化間接產生，類似于成體腎上腺皮質的動態變化。這種發育細胞軌跡尚未經過實驗驗證，其潛在的信號傳導/遺傳機制仍然未知。

在小鼠中，負責腎上腺皮質穩態的祖細胞位于被膜下區域，并通過自分泌/ 旁分泌方式產生并由被膜來源的R-Spondin 3增強的經典WNT/β-catenin信號來維持。腎上腺皮質穩態還受到經典WNT/β-catenin信號與促進分化的內分泌ACTH/PKA信號之間拮抗作用的進一步調節。雖然WNT和ACTH通路似乎在產前人腎上腺皮質中都起作用，但這些信號通路如何協同建立帶狀組織仍然未知。

近日 ， 來自賓夕法尼亞大學的 Kotaro Sasaki 團隊 在 Cell Stem Cell 雜 志上發表文章 Modeling human prenatal adrenocortical functional zonation dynamics from pluripotent stem cells ，構建了一個源自人多能干細胞的腎上腺類器官系統，能夠忠實再現腎上腺皮質由被膜下祖細胞在被膜來源微環境內進行向心性轉分化發育而來的過程。來自被膜的RSPO3/WNT信號從腎上腺原基中指定了定型區祖細胞，隨后這些祖細胞在RSPO3和ACTH的影響下，分化為產生皮質醇的過渡區和產生雄激素的胎兒區。NR0B1的缺失會損害定型區的特化，并引發腎上腺原基向胎兒區的直接轉化，這模擬了X連鎖先天性腎上腺發育不全的發病機制。當將定型區細胞與從多能干細胞單獨分化而來的被膜細胞共同封裝時，它們可在體內重建分區結構，形成對ACTH有反應、能同時產生皮質醇和雄激素的組織。該類器官平臺為解析人腎上腺發育提供了有力工具，并為靶向腎上腺疾病的再生治療奠定了基礎。

早期的腎上腺類器官誘導平臺依賴于氣液界面培養和誘導因子混合物，主要生成胎兒區樣細胞，未檢查到過渡區樣細胞和皮質醇的產生，但觀察到定型區標志物陽性的皮質細胞。為了增加定型區細胞的誘導效率，研究人員將類器官包埋在Matrigel中培養。即使在沒有誘導因子的情況下，Matrigel培養也足以誘導出少量的定型區皮質細胞C D10+ 細胞群。

RNA - seq顯示CD 10+ 細胞上調與經典WNT信號通路相關的基因，以及先前鑒定的定型區標志物。該定型區樣細胞的誘導受到內源性RSPO 3 介導的WNT激活的調控，其中非皮質細胞的RSPO 3+ 被膜樣細胞提供必需的WNT信號。

將FACS分選的腎上腺原基樣細胞與RG + 被膜樣細胞共同封裝，以RSPO3敏感的方式強有力地誘導了CD10 + 定型區樣細胞，表明被膜樣細胞增強了腎上腺原基樣細胞中的經典WNT信號，以促進定型區樣細胞的誘導。

進一步研究發現，RSPO 3 單獨就足以從純化的腎上腺原基樣細胞中誘導出定型區樣細胞。從組織學上看，定型區樣細胞與體內的定型區細胞高度相似，呈緊密聚集的簇狀排列，胞漿嗜堿性、稀少，胞核圓形/卵圓形。與胎兒區細胞相比，超微結構分析顯示，定型區和定型區樣細胞的胞質中線粒體明顯更少、體積更小，且嗜鋨性脂質顆粒數量減少。

此外，定型區樣細胞在免疫表型和轉錄水平上與定型區細胞表現出驚人的相似性，強烈表達MME、NOV和LEF1，并具有高MK167增殖指數，而關鍵的胎兒區樣細胞/類固醇生成標志物的表達則沒有或顯著降低。即構建出一種高度可重復且易于操作的方法，能夠重現定型區特化過程，從而允許對人類定型區狀態進行功能評估。

組織形態學觀察表明，定型區細胞可能有助于維持人產前腎上腺皮質的穩態。這些細胞被認為在自我更新中發揮作用，并可能經歷向心性轉分化成為類固醇生成細胞。檢測轉分化潛能，發現由RSPO3誘導和維持的定型區/定型區樣細胞通過RSPO3和ACTH的協同作用，依次轉分化為類固醇生成的過渡區和胎兒區細胞，轉分化具有單向性。對定型區轉分化過程進行RNA - seq分析，繪制人腎上腺皮質轉分化過程中的轉錄動態，并通過與產前體內腎上腺樣本的scRNA - seq數據進行對比分析，發現腎上腺皮質轉分化過程可以在很大程度上使用iPSCs在體外重現。同時還發現NR0B1和GATA6是在定型區和定型區樣細胞中表達最高的轉錄因子之一，是驅動定型區正確命運決定的關鍵轉錄因子。NR0B1驅動定型區樣細胞誘導并阻止腎上腺原基樣細胞直接分化為胎兒區樣細胞，而GATA 6 在定型區樣細胞誘導過程中是必需的。

那么定型區樣細胞是否能在體內維持功能性腎上腺皮質穩態？分選定型區樣細胞，然后將其重新聚集并移植到免疫缺陷NCG小鼠的腎被膜下，移植物很快被排斥。用 RG? 被膜樣細胞封裝定型區樣細胞或腎上腺原基樣細胞，則顯著提高移植物的存活率。移植后2 -3 個月對移植物進行的流式細胞術分析證實了 RG? 被膜樣細胞和包括 CD10? 定型區樣細胞在內的皮質細胞的持久存在。將異種移植物來源的皮質細胞的轉錄組與體內人腎上腺皮質進行比較，發現與產前和成體腎上腺皮質細胞都極其相似。這些發現表明，控制轉分化的轉錄程序在產前和成體皮質之間很大程度上是保守的，并且定型區樣細胞和腎上腺原基樣細胞都被重新編程以建立穩態轉分化。同時免疫熒光分析以及功能性分子檢測都顯示，體內重建出功能性腎上腺皮質。最后，從移植后 3 個月的移植物中回收的 CD10? 定型區樣細胞，可以在過渡區培養基存在下重新聚集并輕松分化為產生皮質醇的過渡區樣細胞，這支持了封裝的定型區樣細胞即使在長期移植后也能保留其分化潛力。

綜上， 該 研究利用誘導多能干細胞生成了對ACTH有反應、能產生皮質醇和雄激素的人腎上腺皮質細胞。該平臺在體外和體內模擬了產前功能分區的形成，為研究人腎上腺發育和類固醇生成的機制提供了工具，并為未來基于細胞的腎上腺疾病治療奠定了基礎。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.stem.2026.02.002

制版人： 十一

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