导 读
流感病毒严重威胁着全球的健康。不断的基因突变和基因重组会导致新的流感病毒的产生，并进一步导致病毒跨物种从动物传播到人类，引起人类感染甚至流行性爆发。目前尚无满意的检测方法可以预测新发的流感病毒是否可以感染人类。近日，香港大学微生物学系袁国勇教授及周婕博士与荷兰Hubrecht研究所Hans Clevers教授团队合作，成功研发以成体干细胞培养成熟的呼吸道类器官，可以模拟人类呼吸道上皮组织，并可以用来预测新发流感病毒对人类的感染性。该项创新的培养技术已经申请了美国专利，相关研究以“Differentiated human airway organoids to assess infectivity of emerging influenza virus”为题，发表于2018年6月11日的最新一期《美国国家科学院的院刊》（PNAS）。
研究背景
从2013年开始，禽流感病毒H7N9接连导致人类感染和，但在家禽中同时存在的H7N2禽流感病毒却很少感染人类。同样来源于猪流感病毒的突变型的甲型H1N1流感病毒，从2009年开始引起全球大流行，但普通的猪流感病毒H1N1则很少感染人类。流感病毒种类多，亦有机会出现基因突变，由家禽等感染人类。如何预测这些潜在风险？目前尚无满意的体外模型来评估新病毒在人类中的传染性。而类器官技术利用干细胞直接诱导生成三维组织模型，为人类生物学研究提供了强大的方法。
类器官：属于三维（3D）细胞培养物，包含其代表器官的一些关键特性。此类体外培养系统包括一个自我更新干细胞群，可分化为多个器官特异性的细胞类型，与对应的器官拥有类似的空间组织并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。
结果速览
1. 研究团队利用少量肺组织中的成体干细胞培养出三维（3D）生长的呼吸道类器官。经过诱导分化之后，成熟的呼吸道类器官可以模拟人类呼吸道上皮组织中细胞的组成，蛋白酶的生成以及纤毛的运动。该呼吸道类器官包括了四种呼吸道上皮细胞：纤毛，杯状，棒状和基底细胞。此外，分化条件诱发的丝氨酸蛋白酶水平升高，对人流感病毒和低致病性禽流感病毒的生产感染至关重要。
Fig. 1. Demonstration of four types of airway epithelial cells and replication of influenza viruses in human AOs.
AOs：ASC-derived airway organoids
Fig. 2. PD of human AOs
PD：proximal differentiation
Fig. 3. Characterization of the differentiation status of AOs.
2. 研究团队再将三维（3D）的呼吸道类器官进一步发展成为可以在半透膜上生长的二维（2D）的类器官。二维（2D）的呼吸道类器官可以让研究者直接在类器官上皮细胞的顶端进行病毒感染，这样模拟了自然情况下病毒感染人类呼吸道的方式。研究团队用两对已知感染性的病毒在三维（3D）和二维（2D）的成熟呼吸道类器官中进行测试，发现感染人类的H7N9和H1N12009流感病毒的感染能力，远远高于所对应的H7N2和普通猪流感病毒H1N1。该研究证明，新研发的成熟的呼吸道类器官可模拟已知病毒的感染能力，并可以用来预测新发流感病毒对人类的感染性。
Fig. 4. Influenza virus infection in the 3D PD AOs.
Fig. 5. Establishment of 2D differentiated AOs and replication capacity of influenza viruses.
结 语
研究团队以人类的成体干细胞所建立的人呼吸道类器官可以进行长达一年的扩增培养，经诱导分化后，成功模拟自然情况下病毒对人类呼吸道的感染方式，成熟的呼吸道类器官可以用来检测新型呼吸道病毒感染人类的能力。该创新性的发现为人类呼吸系统生理和疾病提供了一个崭新的研究平台。
袁国勇教授
袁国勇教授1981年毕业于香港大学医学院，是杰出的微生物学家，传染病专家和外科医生。他首先确认SARS是由冠状病毒，而不是其他的衣原体或其他病因形成，被誉为“抗SARS英雄”。2004年，他获香港特别行政区政府颁授“银紫荆星章”以表彰他对抗SARS病毒的努力。袁教授2007年当选中国工程院院士。他同时也是港科院院士、英国皇家内科学院、外科学院和病理学院院士。
媒体报道作者如是说
袁国勇教授称，已知感染人的流感病毒有170种，类器官初步已对禽流感H7N9病毒、猪流感病毒突变型的甲型H1N1进行检测，发现感染人类的H7N9和H1N1(2009)的感染力，较对应的病毒H7N2和普通猪流感病毒H1N1高出一千倍，证明类器官能模拟已知病毒的感染能力，相信也可用于预测新流感病毒，例如可检测近日出现在狗身上的新流感病毒。
袁国勇教授补充，现有的流感病毒检测方法，包括过往用肿瘤细胞进行测试，但肿瘤细胞不能代表人类的肺部；人呼吸道上皮细胞、人正常肺组织则不能培养或存活时间很短，难以保持检测准绳度；至于传统的小鼠实验，并不能代表人，猴子实验亦成本过高。他表示，成体干细胞培养的类器官可避免上述情况，研究结果已申请美国专利。
港大医学院微生物学系研究助理教授周婕解释，二维类器官进行病毒感染，更贴近人体肺部在自然情况下病毒感染呼吸道的整个过程，而三维类器官是培养的必经过程。
“呼吸道类器官可以仿真呈现已知病毒的感染性，并可以用来预测新发流感病毒对人类的感染能力，这一研究发现对推进人类疾病研究有重大意义。”周婕博士表示，类器官技术是近年来人类生命科学领域内的重要突破，它使得人体的很多生物学过程可以在体外的培养皿中进行。
ABSTRACT
Novel reassortant avian influenza H7N9 virus and pandemic 2009 H1N1 (H1N1pdm) virus cause human infections, while avian H7N2 and swine H1N1 virus mainly infect birds and pigs, respectively. There is no robust in vitro model for assessing the infectivity of emerging viruses in humans. Based on a recently established method, we generated long-term expanding 3D human airway organoids which accommodate four types of airway epithelial cells: ciliated, goblet, club, and basal cells. We report differentiation conditions which increase ciliated cell numbers to a nearly physiological level with synchronously beating ciliareadily discernible in every organoid. In addition, the differentiation conditions induce elevated levels of serine proteases, which are essential for productive infection of human influenza viruses and low-pathogenic avian influenza viruses. We also established improved 2D monolayer culture conditions for the differentiated airway organoids. To demonstrate the ability of differentiated airway organoids to identify human-infective virus, 3D and 2D differentiated airway organoids are applied to evaluate two pairs of viruses with known distinct infectivity in humans, H7N9/Ah versus H7N2 and H1N1pdm versus an H1N1 strain isolated from swine (H1N1sw). The human-infective H7N9/Ah virus replicated more robustly than the poorly human-infective H7N2 virus; the highly human-infective H1N1pdm virus replicated to a higher titer than the counterpart H1N1sw. Collectively, we developed differentiated human airway organoids which can morphologically and functionally .
类器官（Organoids）技术：生命（至少）是在三维空间中发生并存在的，利用在培养皿中形成的平层细胞开展生命的分子细胞学研究具有很大的局限性，无法揭示生物学的全部事实。类器官技术也是在这一背景下应运而生。
类器官属于三维（3D）细胞培养物，包含其代表器官的一些关键特性。此类体外培养系统包括一个自我更新干细胞群，可分化为多个器官器官特异性的细胞类型，与对应的器官拥有类似的空间组织并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。
这项技术始于2009年，荷兰Hubrecht研究所的Clevers团队成功的将成体干细胞培养成为小肠的隐窝和绒毛结构。
2011年，该领域再次获得突破，日本RIKEN发育生物学中心的研究人员将胚胎干细胞构建成为视杯结构。
2013年，来自日本、德国、美国的科研人员分别构建出肝芽、迷你肾和微型大脑，使该领域获得了国际的广泛关注，并被Science评选为2013年的十大突破。
近年来，该技术不仅在更多种类的组织器官构建中获得了突破，在疾病研究、药物筛选、药物毒理测试等领域也展现出作为组织模型的应用潜力。
2017年底，Nature Methods将其确定为2017年的年度技术，再次凸显了该技术的巨大发展潜力，未来该领域有望引起全球更大范围的研究热潮。
Nature Methods 如此评价类器官（Organoids）技术：利用干细胞直接诱导生成三维组织模型，为人类生物学研究提供了强大的方法，目前对于这种工具的研究正在不断发展进步中。
Science: 06/07/2013, Vol340 Issue 6137
Nature Methods:January 2018 Volume15No1
参考文献：
1. Jie Zhou, Cun Li, Norman Sachs, Man Chun Chiu, Bosco Ho-Yin Wong, HinChu, Vincent Kwok-Man Poon, Dong Wang, Xiaoyu Zhao, Lei Wen, Wenjun Song,Shuofeng Yuan, Kenneth Kak-Yuen Wong, Jasper Fuk-Woo Chan, Kelvin Kai-Wang To,Honglin Chen, Hans Clevers, and Kwok-Yung Yuen. Differentiated human airwayorganoids to assess infectivity of emerging influenza virus.PNAS June 11, 2018.201806308;
https://doi.org/10.1073/pnas.1806308115
2. ：港大发现疾病研究新平台
http://www.sohu.com/a/235238983_267106
3. 人民网：港大科研团队成功模拟病毒感染人类呼吸道方式
http://www.cnr.cn/sxpd/ws/20180612/t20180612_524268121.shtml
4.中国新闻网：香港大学造“肺”用来预测新流感病毒监控传播
http://news.sina.com.cn/o/2018-06-12/doc-ihcufqih5553354.shtml
5. 港大科研| 港大成功研发人体“类器官”，冀助预测新型流感病毒
6. 衡中香港留学事务处：成功建立成熟的呼吸道类器官用以预测新发流感病毒的感染性
本期编辑：Annabella