影像学分析揭示特化肺细胞发育的时间

宾夕法尼亚大学和费城儿童医院的David B. Frank和他的博士后Aravind Sivakumar领导的研究人员正在使用Imaris来更好地了解在发育过程中需要气体交换的肺细胞何时出现。他们的发现可以帮助解释为什么肺部未发育的早产儿能够存活下来。

早产儿的肺部明显发育不全，出生后可能会进一步受损。随着临床护理的进步，早产儿的存活率正在提高，医生也越来越多地观察到妊娠期的提前。然而，科学家们还不明白为什么这是可能的，因为对肺发育的研究表明，气体交换所需的特化肺泡1型和2型(AT1, AT2)上皮细胞直到肺发育后期才出现。

在这项新研究中，研究人员使用遗传方法和细胞谱系追踪方法相结合的方法，仔细研究了AT1和AT2的发育，以跟踪AT1和AT2细胞，因为它们来自小鼠肺部的祖细胞。研究这些细胞的一个挑战是，在肺发育的早期，胎儿肺是一个由内胚管、不成熟的血管和间充质组成的紧密致密结构，空气空间非常小。

弗兰克说:“在这种密集的结构中，使用传统成像和人工分析很难定义胎儿肺中的细胞类型特异性细胞边界。”“Imaris 3D表面渲染帮助我们改善了用于定义细胞的细胞边界。”

研究人员还使用Imaris Coloc工具进行了一种新的，几乎是无偏倚的方法，根据细胞中特定的细胞内表达模式来定义2型肺泡上皮细胞。该工具帮助他们可视化和量化共定位的基因表达。他们发现，可以发育为AT1或AT2细胞(双谱系)的细胞对肺泡上皮细胞的数量没有显著贡献。相反，是特定的单一细胞类型(AT1或AT2)的祖细胞构成了大多数肺泡上皮细胞群。

Nkx2-1+肺胚胎肺泡祖细胞厚切片克隆谱系示踪。(A-C) Nkx2.1CreERT2:R26RConfetti孕坝在E13.5注射他莫昔芬，在P0分析胚胎。分析显示由AT1细胞(A)、AT2细胞(B)或两种细胞类型组成的单色细胞克隆(C)。(D - F) Nkx2.1CreERT2:R26RConfetti孕母在E15.5注射他莫西芬，在P0分析胚胎(E)。肺泡上皮克隆由AT1细胞(D)、AT2细胞(E)组成，并鉴定两种细胞类型(F)。150 μm组织切片用SFTPC反染，荧光蛋白共定位，Imaris三维表面绘制，并在图像中表示为蓝绿色/灰色的SFTPC共定位。如果细胞表达SFTPC，则手工标记为AT2细胞;如果细胞不表达SFTPC，则标记为AT1细胞。(G和H)克隆分析定量，包括E13.5和E15.5处Nkx2.1+细胞的克隆组成和克隆大小(n = 46和n = 44个克隆)。混合AT1/AT2克隆包括任何低于100%纯AT1或AT2克隆的组合。(比例尺，A-F, 10 μm。)

弗兰克说:“我们的研究结果显示，这些特化细胞的个体发育比以前认为的要早得多，这可能解释了极早产儿的生存能力。”“这项研究帮助确定了肺泡上皮发生的肺发育的关键时期，并使我们能够专注于发现肺泡上皮规范中的重要分子。”

研究人员计划继续使用Imaris来探索结构形态发生，这有助于指导肺发育过程中的细胞识别。Frank说:“该软件有助于以3-缩小的方式细化组织关系，不仅可以应用于肺内胚层，还可以应用于脉管系统和间充质壁龛。”

研究论文:Frank DB, Penkala IJ, Zepp JA, Sivakumar A, Linares-Saldana R, Zacharias WJ, Stolz KG, Pankin J, Lu M, Wang Q, Babu A, Li L, Zhou S, Morley MP, Jain R, Morrisey EE。2019.早期谱系规范定义了小鼠肺中肺泡上皮的个体发育。Proc Natl Acad Sci us S A. doi: 10.1073/pnas.1813952116。