在嗜酸性食管炎中,有助于稳态和更新的CD73+上皮祖细胞被耗竭

CD73+ Epithelial Progenitor Cells That Contribute to Homeostasis and Renewal Are Depleted in Eosinophilic Esophagitis

作者信息Takeo Hara, Yuta Kasagi, Joshua Wang, Masaru Sasaki, Bailey Aaron, Adam Karami, Masataka Shimonosono, Rieko Shimonosono, Hisatsugu Maekawa, Lauren Dolinsky, Benjamin Wilkins, Jeremy Klein, Jane Wei, Kathryn Nunes, Kristle Lynch, Jonathan M Spergel, Kathryn E Hamilton, Melanie A Ruffner, Tatiana A Karakasheva, Kelly A Whelan, Hiroshi Nakagawa, Amanda B Muir
PMID35108658
发布时间2022
DOI10.1016/j.jcmgh.2022.01.018

实验完整度

研究包含患者活检样本、3D类器官、小鼠模型及单细胞RNA测序等多层级证据,明确验证CD73+CD104+细胞功能及STAT6通路机制。

主要模型

患者食管活检样本 三维食管类器官(PDO和EPC2-hTERT) MC903/OVA诱导的小鼠EoE模型

重点核对

患者活检样本中CD73+CD104+细胞比例(活动性EoE 0.7%,非EoE 2.4%,非活动性1.7%,P=0.0062) IL4和IL13刺激类器官(10 ng/mL,从第7天至第11天)引起CD73+CD104+细胞减少 类器官形成率比较及CD73 siRNA敲低后OFR显著降低 STAT6抑制(AS1517499 400 nmol/L或siRNA)可阻止Th2细胞因子介导的CD73+CD104+细胞减少 奥美拉唑预处理(50 μmol/L,2小时)可预防细胞因子诱导的OFR降低

摘要

背景与目的 尽管基底细胞增生是嗜酸性食管炎(EoE)的组织学标志,但关于EoE炎症环境中上皮更新和分化的能力知之甚少。在小鼠食管上皮中,存在以CD73(5'-核苷酸外切酶)和CD104(整合素β4)同时表达为特征的自更新、缓慢增殖的基底干细胞样细胞。在此,我们研究了人类食管上皮基底群体中的CD73+CD104+细胞,并阐明了这些细胞在EoE上皮中的生物学意义。 方法 我们对来自EoE和非EoE患者的食管活检样本进行了流式细胞术,以确定上皮中CD73+CD104+细胞的数量。模拟EoE环境,我们用白细胞介素(IL)4和IL13刺激患者来源的原代和永生化细胞系来源的食管类器官,并通过流式细胞术、免疫组织化学和定量逆转录聚合酶链反应进行分析。我们对IL13刺激下的原代类器官进行了单细胞RNA测序,并评估了CD73+CD104+群体。我们使用荧光激活细胞分选来纯化CD73+CD104+和CD73-CD104+群体,并将这些群体接种在类器官培养中以评估类器官形成率和类器官大小。我们使用RNA干扰在食管类器官中敲低CD73,以评估类器官形成率和大小。我们通过RNA干扰、STAT6抑制剂AS1517499以及质子泵抑制剂奥美拉唑评估了信号转导和转录激活因子6(STAT6)信号传导抑制的效果。 结果 EoE患者显示上皮CD73+CD104+细胞含量减少。IL4和IL13刺激在三维类器官中耗竭了这一群体,并伴有基底细胞增生的重现,这一点通过类器官的单细胞RNA测序得到证实,表明CD73+CD104+细胞耗竭。与CD73-CD104+群体相比,CD73+CD104+群体具有增强的类器官形成能力。同样,CD73的敲低导致类器官形成率降低。STAT6的遗传和药理学抑制阻止了辅助性T细胞2型细胞因子诱导的CD73+CD104+细胞耗竭。最后,奥美拉唑治疗阻止了IL4和IL13对CD73+CD104+群体的影响。 结论 本研究探讨了CD73+CD104+细胞在EoE背景下上皮更新和稳态中的作用。在EoE环境中,辅助性T细胞2型细胞因子对CD73+CD104+自我更新群体的耗竭可能持续上皮损伤。未来针对EoE上皮修复的疗法可能会减少对免疫调节和类固醇治疗的需求。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
探讨人食管上皮基底区中的CD73+CD104+细胞的生物学特性,以及Th2炎症环境(如EoE)中该群体的变化及其潜在治疗意义。
核心机制
IL4和IL13通过STAT6信号通路介导CD73+CD104+自我更新上皮祖细胞的耗竭,可能持续上皮损伤,而STAT6抑制或奥美拉唑处理可阻止该耗竭。
主要证据
EoE患者活检样本和EoE小鼠模型中CD73+CD104+细胞减少;IL4/IL13处理的3D食管类器官重现该现象;单细胞RNA测序显示CD73表达下调;CD73+CD104+细胞具有更高的类器官形成能力且处于较不分化状态;STAT6抑制和奥美拉唑可逆转上述变化。
研究意义
本研究揭示了EoE炎症环境中上皮更新的机制,提示靶向上皮修复的治疗策略可能减少对免疫调节和类固醇治疗的依赖,为EoE治疗提供了新方向。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

临床样本分析

评估活动期和非活动期EoE患者与非EoE对照中CD73+CD104+上皮细胞的比例变化。

对内镜活检样本进行免疫组化(SOX2、Ki-67)、免疫荧光和流式细胞术分析,计数CD73+CD104+细胞比例,并与炎症指标(嗜酸性粒细胞数和CD45+细胞)进行相关性分析。

2

患者来源和永生化细胞系来源的3D类器官模型建立及Th2因子处理

模拟EoE的Th2炎症环境,观察IL4和IL13对CD73+CD104+细胞群体的影响。

将患者来源的食管细胞和EPC2-hTERT细胞接种于Matrigel形成3D类器官,培养7天后加入IL4或IL13处理96小时,然后通过流式细胞术、免疫组化和qRT-PCR分析CD73和CD104表达。

3

单细胞RNA测序分析

解析人食管类器官中的细胞异质性,并探究IL13刺激下CD73+CD104+细胞及其相关分化状态的变化。

对4个非EoE患者来源的类器官进行单细胞RNA测序,在有或无IL13刺激下,利用Seurat进行聚类和差异表达分析,比较不同细胞亚群的比例和基因表达变化,并对CD73+CD104+与CD73-CD104+细胞的差异表达基因进行GO分析。

4

CD73+CD104+细胞功能验证

验证CD73+CD104+细胞的干性特征和上皮更新能力。

通过FACS从类器官中分选CD73+CD104+、CD73-CD104+和CD73-CD104-细胞,比较其类器官形成率和大小;并通过EdU掺入实验评估不同群体的增殖能力;同时通过RNA干扰敲低CD73,观察对类器官形成的影响。

5

STAT6信号通路验证

确定STAT6在Th2细胞因子介导的CD73+CD104+细胞耗竭中的作用。

通过免疫组化检测EoE患者活检样本中磷酸化STAT6的水平;使用STAT6抑制剂AS1517499或STAT6 siRNA处理类器官,评估对CD73表达和CD73+CD104+细胞比例的影响。

6

奥美拉唑治疗评估

评估质子泵抑制剂奥美拉唑对Th2细胞因子介导的CD73+CD104+细胞耗竭的影响。

用奥美拉唑预处理EPC2-hTERT类器官后,加入IL4或IL13刺激,检测CD73+CD104+细胞比例和类器官形成率。

7

小鼠EoE模型验证

在体内模型中验证EoE条件下CD73+CD104+细胞的减少。

使用MC903和OVA诱导的BALB/c小鼠EoE模型,通过流式细胞术检测食管上皮中CD73+CD104+细胞的比例。

8

统计分析

确定实验组间差异的统计学显著性。

使用2-tailed Student t检验或单因素方差分析进行组间比较,使用Pearson相关系数分析相关性,以P<0.05为显著。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
角质形成细胞无血清培养基Life Technologies--
基质胶Corning--
白细胞介素4----
白细胞介素13----
AS1517499Axon Medchem--
奥美拉唑Sigma-Aldrich--
抗CD73抗体Abcamab133582
抗整合素β4抗体R&D SystemsMAB4060
抗Ki-67抗体Abcamab16667
抗SOX2抗体Cell Signaling Technology14962S
抗磷酸化STAT6抗体Abcamab28829
抗CD73抗体Abcamab175396
抗CD104抗体Novus BiologicalsNBP2-37392
抗STAT6抗体Cell Signaling Technology9362S
抗β-肌动蛋白抗体Sigma-AldrichA5316
别藻蓝蛋白-H7-抗CD45抗体BD Biosciences560178
别藻蓝蛋白-抗CD73抗体BD Biosciences560847
藻红蛋白-抗CD104抗体BioLegend327808
BUV395-抗CD45抗体BD Biosciences564279
藻红蛋白-Cy7-抗CD73抗体BioLegend127224
Alexa Fluor 647-抗CD104抗体BioLegend123608
LIVE/DEAD可固定近红外死细胞染色试剂盒InvitrogenL34975
Click-it Plus Alexa Fluor 488流式细胞术检测试剂盒InvitrogenC10632
TaqMan基因表达检测Thermo Fisher Scientific--
靶向CD73的siRNASanta Cruz Biotechnologysc-42862
靶向STAT6的siRNAInvitrogen--
Silencer Select阴性对照1号Invitrogen--
Lipofectamine RNAiMAX试剂Invitrogen--
MC903Tocris Bioscience--
卵清蛋白Sigma-AldrichA5503-50G
死细胞去除试剂盒Miltenyi Biotec--
BOND RXmLeica Biosystems--
BZ-X710荧光显微镜Keyence--
Celigo成像细胞仪Nexcelom Bioscience--
LSRIIBD Biosciences--
FACSAria Fusion分选仪BD Biosciences--
MoFlo Astrios细胞分选仪Beckman Coulter--
StepOnePlus实时PCR系统Applied Biosystems--
GraphPad Prism 8GraphPad Software--
BALB/c小鼠Jackson Laboratories--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
临床样本分析
患者分类标准(活动期EoE:≥15 eos/hpf;非活动期:<15 eos/hpf;非EoE:无组织学异常)、样本量(每组n=10)、CD45+细胞排除和CD73/CD104的截止值
阅读提示:Methods: Human Subjects and Endoscopic Esophageal Biopsy Specimens; Flow Cytometry and FACS; Figure 2
类器官培养与处理
基质胶(Matrigel)品牌和浓度、培养基(含0.6 mmol/L Ca2+的改良角质形成细胞无血清培养基)、培养时间(11天)、IL4/IL13浓度(10 ng/mL)和处理时间(第7天至第11天)
阅读提示:Methods: Primary Esophageal Epithelial Cultures and 3-Dimensional Organoids; Figure 3
单细胞RNA测序
PDO来源(4个非EoE患者)、IL13浓度和处理时间、细胞活力筛选(排除线粒体基因转录本>15%的细胞)、Seurat版本和分析参数(前20个PC用于UMAP和聚类)
阅读提示:Methods: Single-cell RNA Sequencing; Figure 4
细胞分选和类器官形成实验
分选群体(CD73+CD104+、CD73-CD104+、CD73-CD104-)、种板密度、培养时间(11天)、OFR和平均面积的计算方式
阅读提示:Methods: Flow Cytometry and FACS; Figure 6
RNA干扰
siRNA浓度(10 nmol/L)、转染时间(48小时)、转染试剂(Lipofectamine RNAiMAX)、敲低效率验证(流式或qRT-PCR)
阅读提示:Methods: RNA Interference; Figure 6E
STAT6抑制实验
AS1517499浓度(400 nmol/L)和预处理时间(24小时)、STAT6 siRNA浓度和处理时间
阅读提示:Methods: Primary Esophageal Epithelial Cultures and 3-Dimensional Organoids; Figure 7
奥美拉唑处理
奥美拉唑浓度(50 μmol/L)和预处理时间(2小时)
阅读提示:Methods: Primary Esophageal Epithelial Cultures and 3-Dimensional Organoids; Figure 8
小鼠EoE模型
小鼠品系(雌性BALB/c,8-10周龄)、MC903剂量(2 nmol/天)、OVA剂量(1000 μg皮肤致敏,50 mg胃内挑战,15 g/L饮水)、处理时间(12天致敏,第15和17天挑战,第18天终止)
阅读提示:Methods: Murine Model of EoE; Figure 2F-G
统计
统计方法(2-tailed Student t检验或单因素方差分析)、相关性分析(Pearson)、显著性水平(P<0.05)
阅读提示:Methods: Statistical Analysis