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(图片来自网络)
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虽然这一测试无法判断肺的康健状态 ，但你是否感受到了呼吸的主要性 。时时刻刻 ，新鲜的空气正通过气管进入温暖的胸腔 ，其中的氧气从肺中滤出 ，随着血液奔向大脑 ，四肢…
今天 ，我们便来先容下人体呼吸中枢——肺 ，主要包括它的结构 ，细胞类型 ，相关重大疾病及动物模子 。
正常的肺呈浅红色 ，位于胸腔 ，笼罩在心脏之上 。左右胸腔各有肺叶 ，左二右三 ，右肺可以分为上、中、下三叶 ，左肺则仅有上、下两叶 ，以是人体的肺一共有五叶 。每个肺叶之间有胸膜离隔 ，各自有支气管与主气管相通 ，相互之间没有联系 。
每次呼吸 ，空气通过鼻腔进入气管 ，再进入支气管 。支气管分为左右主干支气管 ，其组成与气管相似 ，并逐渐分枝成更小的分支——气管支气管树 ，对吸入的空气举行指导、加湿和加热 。终末支气管最后形成小肺泡簇 ，肺泡总数抵达数百万 。肺泡被毛细血管网所困绕 。通过毛细血管的薄膜 ，空气和血液举行氧气和二氧化碳的交流[1] 。
图1 呼吸系统示意图(引自https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/how-lungs-work)
肺部细胞是肺执行心理功效的基本单位 ，通过相识其种类和状态 ，人们可以进一步研究肺部疾病的爆发气理 ，举行准确有用的治疗 。通过显微镜视察 ，免疫荧光标记等古板要领 ，已知晓的人体肺部细胞类型有45种 。而科学家借助刚刚兴起的单细胞测序手艺 ，从另一个维度绘制出人体更多的肺部细胞种类及表达状态 ，确定了成人肺中有58种转录上差别的细胞群体 ，包括15种上皮细胞 ，9种内皮细胞 ，9种基质细胞（图2）和25种免疫细胞(图3)[2] 。
图2 肺部上皮细胞、内皮细胞和基质细胞群分类及组织学定位[2]
而归纳出的这58种细胞中包括41种已知的肺部细胞类群 ，不包括原本被以为保存的4种细胞 ，即神经元、神经胶质 ，簇状细胞以及嗜酸粒细胞 。对该研究效果感兴趣的小同伴可以在公众号中索要原文 。下面将挑选两大类含量最多的肺部细胞（上皮细胞和内皮细胞）做简要先容 。
图3 肺免疫细胞分群[2]
肺泡上皮细胞作为气体交流的单位（图4） ，维持着肺脏的基本功效 。肺泡上皮细胞主要由I型肺泡上皮细胞 ，Ⅱ型肺泡上皮细胞组成 。
肺泡I型细胞 ，其外貌标记物是水通道卵白5(AQP5)占肺泡外貌积的96% 。这些细胞很是薄 ，呈鳞状 ，它们与肺毛细血管内皮共用一个基底膜 ，形成气血屏障 ，在此爆发气体交流 。
图4 小鼠肺泡区示意图[4]
II型细胞为球形肺细胞 ，其外貌标记物为SFTPC（又称为SPC） ，仅占肺泡外貌积的4% ，但占肺泡上皮细胞的60% ，占所有肺细胞的10-15% 。Ⅱ型肺泡细胞位于肺泡拐角处 ，具有合成、渗透肺外貌活性物质的功效 ，还可调理肺泡水分 ，兼有分解成I型细胞的作用[3] 。
内皮细胞位于渗透在肺部的血管上 ，它不但是血液 ，空气和基质组织之间的物理屏障 ，还具有代谢活性 ，加入炎症控制、白细胞运输、血管天生和血管张力等历程 。凭证最新的单细胞测序效果 ，肺脏内皮细胞可分为淋巴内皮细胞、动脉内皮细胞、通俗毛细血管内皮细胞(General capillary, gCap )、气管细胞(Aerocyte)、肺静脉内皮细胞和全身静脉内皮细胞[5] 。
其中 ，加入气体交流的是肺泡毛细血管内皮细胞 ，由“气管细胞”和通俗毛细血管内皮细胞配合组成 。“气管细胞”专门用于气体交流和白细胞运输 ，是肺独吞的内皮细胞；通俗毛细血管内皮细胞用于调理血管舒缩张力 ，并在毛细血管稳态和修复中充当干细胞/祖细胞（图5）[6] 。
图5 肺泡气体交流示意图[6]
南模生物在小鼠肺部细胞特定marker基因中敲入Cre/Dre重组酶元件或报告基因 ，研究者可以对每类细胞举行标记 ，还可以在特定细胞群里举行基因及细胞功效的研究 。详细模子信息见下表：
表1 肺部特定细胞工具鼠
作为主要的呼吸器官 ，肺部随时会侵入细菌、病毒、真菌、灰尘等 ，造成差别类型的肺部疾病 ，如新冠肺炎 ，大叶性肺炎 ，支气管炎等 ，严重的可导致急性或慢性呼吸衰竭及种种肺癌 。现在 ，人们对这些疾病发病机制还不敷相识 ，因此治疗步伐十分缺乏 。为深入研究疾病的爆发生长 ，相关研究动物模子的构建是必不可少的一环 。
自新冠疫情爆发以来 ，阻止2021年11月8日 ，全球新冠肺炎累计确诊病例已经凌驾2.5亿例 ，全球累计殒命病例凌驾505万例 。
ACE2 是此次新冠病毒熏染人体的主要团结受体 。新冠病毒的刺突糖卵白可以与肺上皮细胞细胞膜上的 ACE2特异性的团结 。通过脂质胞膜的内吞作用 ，病毒颗粒与囊泡融合并快速进入宿主细胞内[7] 。但小鼠细胞不具有团结新冠病毒卵白的能力 ，因此可以将人ACE2的转入到小鼠体内 ，这种小鼠熏染SARS-CoV-2后的肠道、肺炎症状及病理学特征与COVID-19患者很相似[8] 。南模生物自主研发了CAG-hACE2-IRES-Luc-Tg(hACE2-Tg) 小鼠 ，可以作为疫苗和药物研发的主要工具 。详细先容可见往期推文：熏染病研究杀手锏——常用动物模子先容
慢性壅闭性肺炎（chronic obstructive pulmonary emphysema ，COPD）又称壅闭性肺气肿 ，具有终末细支气管远端部分（包括呼吸性细支气管、肺泡管、 肺泡囊和肺泡）膨胀 ，并伴有气腔壁的破损的体现 。现在 ，我国慢阻肺患者人数约1亿 ，已经成为与高血压、糖尿病“混为一谈”的慢性疾病 ，组成重大疾病肩负[9] 。
图6 正常的肺泡和损伤后的肺泡比照图 ，损伤后的肺泡失去弹性并太过膨胀(图片来自网络)
通例COPD诱导模子
现在最常用的COPD动物模子是小鼠 。通过在香烟烟雾中袒露 6个月 ，小鼠显示出人类COPD的一些特征 ，如慢性肺部炎症、中度气道扩增和轻度小气道纤维化[10] 。别的 ，通过弹性卵白酶举行气管滴注、微生物及其产品诱导或者其他化学物质诱导 ，也有构建乐成的先例[11] 。
基因修饰COPD自觉模子
随着基因修饰手艺的生长 ，通过调控COPD相关基因的表达 ，建设基因工程小鼠模子的应用呈上升趋势 。外貌活性剂卵白(Surfactant protein, SP)-D是一种模式识别分子 ，属于胶原凝集素卵白家族 。SP-D的主要功效是团结病原微生物或者寄生虫 ，这些生物通过调理作用被中性粒细胞扫除 ，从而被吞噬细胞识别 。临床中发明具有较高的SP-D水平的患者 ，其因COPD爆发的危害较低 ，肺功效下降速率较缓慢 。Sftpd基因（编码SP-D卵白）敲除小鼠可泛起肺气肿、举行性隔膜壁厚度和胸膜下纤维化 ，提醒这些动物泛起肺内肺气肿和纤维化的团结表型[12] 。
COPD靶点研究模子
IL-17a是COPD中性粒细胞气道炎症的要害介质 。升高的血清IL-1β和 IL-17a水平可作为COPD一连性中性粒细胞气道炎症和潜在一连恶化的生物标记物 。阻断IL17a/IL17RA可有用降低香烟烟雾诱导的MUC5AC卵白、IL6、TNFα和IL-1β等炎症因子在支气管上皮细胞中的表达 。在小鼠体内特异性敲除IL17a则有益于镌汰中性粒细胞向气道的召募[13] 。这些效果提醒靶向IL17a是潜在的COPD治疗手段 。
COPD患者除了显着的肺部特征之外 ，还保存体重减轻的状态 。临床上发明 ，COPD患者的痰液和血清中的白细胞介素-6 (IL-6)水平较高 。因此 ，科学家通过构建IL6敲除小鼠 ，与野生型举行比照 ，验证IL6对COPD疾病爆发的影响 。研究效果发明 ，野生型小鼠和 IL６敲除小鼠同时举行香烟烟雾袒露 ，IL6敲除小鼠具有较低的体重 ，血清瘦素水平和脂肪组织质量 ，提醒IL-6可作为体重的调理因子[14] 。
南模生物可提供COPD相关基因及治疗靶点敲除小鼠和人源化小鼠 ，助力COPD相关研究（见文末表3） 。
哮喘又名支气管哮喘 。支气管哮喘是由多种细胞及细胞组分加入的慢性气道炎症 。现在对哮喘的基础病因尚不可完全相识 。罹患哮喘的最大危害因素是遗传易感性与情形接触（吸入可能诱发过敏反应或刺激气道的物质和颗粒）二者的团结 ，这类物质和颗粒包括室内过敏源（例如家庭尘螨）、室外过敏源（例如花粉）和烟草烟雾等[15] 。
图7 哮喘爆发的症状和致敏源
尘螨（HDM）是屋尘过敏的主要过敏源 。在已有的研究中证实晰尘螨在哮喘的生长中及诱发其他过敏性疾� 。ㄈ缙ぱ缀捅茄祝┲衅鹬饕饔肹16] 。HDM的粪便颗粒中含有多种过敏原 ，这些过敏原是全天下过敏性哮喘的主要诱因 ，可通过局部使用HDM开发具有临床相关意义的小鼠模子 。南模生物可提供尘螨诱导的哮喘模子 ，详细验证数据如下 。图1为野生型C57BL/6小鼠经尘螨诱导后免疫细胞数目转变的效果 ，比照组小鼠相比 ，中心粒细胞、淋巴细胞和嗜酸性细胞的数目有显着的增添 。
图8 C57BL/6小鼠在尘螨诱导后种种免疫细胞数目的转变
绝大大都哮喘患者爆发时可通过抗炎、平喘等古板治疗药物获得控制 ，但仍有部分患者的病情需要借助全身应用高剂量激素才可缓解或仍无法控制 ，甚至威胁生命 。近年来 ，针对这些难治性重症哮喘 ，人们开发了新的靶向药物并应用于临床 。现在已上市的靶向药有奥马珠单抗（抗IgE） ，IL-5/IL-5R单抗 。高潜力在研的重度哮喘药物有IL-4/IL-13单抗；TSLP抗体；IL-33/ST-2单抗等 。南模生物可提供响应靶点的人源化小鼠 ，助力靶向立异药物的研发和筛� 。哪┍�3） 。
肺癌是起源于上皮组织的恶性肿瘤 ，在我国种种恶性肿瘤中发病率和殒命率均排名第一 ，好发年岁在70岁以上 ，男女发病率之比为2：1 。由于空气污染、放射性袒露以及肺部真菌熏染等缘故原由 ，使得肺癌的发病率和殒命率久居不下 。肺癌主要分为非小细胞肺癌（non small cell lung cancer, NSCLC）和小细胞肺癌（small celllung cancer, SCLC） ，其中非小细胞肺癌约占肺癌的80~85%[17] 。在非小细胞肺癌中 ，发明许多驱动突变 ，常见的驱动突变包括Kras突变、EGFR突变、FGFR1扩增、ALK重排、HER2突变、MET扩增、BRAF突变等[17] 。研究职员对肺癌的多个突变举行探讨 ，将肺癌中发明的突变进入引入到小鼠中 ，从而获得多种用于研究肺癌爆发与转移机制、筛选和评价抗肿瘤药物的肺癌模子 。
表2 非小细胞肺癌中基因突变频率和类型[17]
现在国际上应用最普遍的肺癌动物模子就是Kras-LSL-G12D小鼠模子 ，可以通过与肺上皮细胞特异性的Cre转基因小鼠杂交来实现Kras突变体的激活 ，从而导致肺癌的爆发 。南模生物提供的Kras(LSL-G12D/+)小鼠品系在Kras突变基因的上游插入了loxp-stop-loxp终止序列 ，其在没有cre重组酶的条件下是不表达的 。Cre介导的重组可去除终止密码子 ，使致癌基因表达 。接纳腺病毒载体携带Cre熏染肺部细胞后 ，导致肺肿瘤爆发的频率很是高（图8） 。
图9 接纳气管内注射的要领 ，将AAV-cre病毒注射到小鼠肺部 ，3个月后对小鼠肺部举行CT检测 ，CT效果显示有显着的肿瘤的形成 。
别的 ，我们还可以提供Kras(LSL-G12D/+)小鼠肿瘤细胞泉源的同系荷瘤小鼠模子 。肿瘤细胞可在受体小鼠体内快速增殖（如图9） 。荷瘤小鼠模子可提高临床药效评价实验操作的轻盈性 。
图10 荷瘤小鼠体内肿瘤细胞体积随时间增添的转变
关于肺癌的详细先容可见往期推文：基因工程小鼠疾病模子系列——肺癌篇
南模生物自主构建了多种基因修饰小鼠（表3） ，可以用于新冠肺炎、慢性壅闭性肺炎、哮喘、肺癌等疾病的研究和药物筛选 。
表3 肺部疾病相关动物模子列表
南模生物深耕基因编辑领域 ，提供全方位模式生物效劳 ，包括基因修饰制品模子供应、个性化模子定制、饲养繁育、表型剖析、药效评价等 ，知足差别实验室需求 。
Reference:
[1] https://www.nhlbi.nih.gov/health-topics/how-lungs-work
[2] Travaglini KJ, Nabhan AN, Penland L, et al. A molecular cell atlas of the human lung from single-cell RNA sequencing. Nature. 2020 Nov;587(7835):619-625.
[3] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557542/
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[5] Schupp JC, Adams TS, Cosme C Jr, et al. Integrated Single-Cell Atlas of Endothelial Cells of the Human Lung. Circulation. 2021 Jul 27;144(4):286-302. doi: 10.1161/CIRCULATIONAHA.120.052318.
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[9]Wang C, Xu J, Yang L, Xu Y, et al; China Pulmonary Health Study Group. Prevalence and risk factors of chronic obstructive pulmonary disease in China (the China Pulmonary Health [CPH] study): a national cross-sectional study. Lancet. 2018 Apr 28;391(10131):1706-1717.
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[12] Barreiro E, Wang X, Tang J. COPD: preclinical models and emerging therapeutic targets. Expert Opin Ther Targets. 2019 Oct;23(10):829-838. doi: 10.1080/14728222.2019.1667976. Epub 2019 Sep 20. PMID: 31512957.
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[16]Tang W, Dong M, Teng F, Cui J, Zhu X, Wang W, Wuniqiemu T, Qin J, Yi L, Wang S, Dong J, Wei Y. Environmental allergens house dust mite-induced asthma is associated with ferroptosis in the lungs. Exp Ther Med. 2021 Dec;22(6):1483.
[17]Min-chul Kwon, Anton Berns. Mouse models for lung cancer. MOLECULAR ONCOLOGY 7 (2013) 165e177.
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