本文属于类型b，是一篇由Declan L. Turner、Sahel Amoozadeh、Hannah Baric、Ed Stanley和Rhiannon B. Werder共同撰写的综述文章，发表于《Respiratory Research》期刊2024年第25卷，文章编号277。作者团队来自澳大利亚墨尔本默多克儿童研究所（Murdoch Children’s Research Institute）、墨尔本大学儿科系以及诺和诺德基金会干细胞医学中心（reNEW Melbourne）。文章系统回顾了利用人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）构建肺部体外模型以研究呼吸道病毒感染的前沿进展，并提出了构建“迷你肺”模型的研究路线图。

文章首先指出，呼吸道病毒感染是全球范围内导致人类疾病、死亡和社会经济损失的主要原因之一。呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus，RSV）和流感病毒是儿童和老年人死亡的重要原因，婴幼儿期严重呼吸道病毒感染还可能诱发哮喘等慢性肺病。部分呼吸道病毒具有季节性流行特征，例如RSV、流感病毒和冠状病毒在冬季高发，而鼻病毒、人偏肺病毒和腺病毒则全年均可检出。新发病原体如SARS-CoV-1和SARS-CoV-2的出现更凸显了呼吸道病毒对公共卫生的威胁。尽管肺部具备由气道上皮、肺泡上皮、免疫细胞、内皮细胞和基质细胞共同构成的复杂防御体系，但针对大多数呼吸道病毒的有效疫苗和抗病毒药物仍然匮乏。这一现状部分归因于缺乏能够真实再现人类肺部细胞组成和功能的人源化体外模型。

文章的一个核心观点是，原代气道上皮细胞（airway epithelial cells，AECs）的气液界面（air-liquid interface，ALI）培养体系已被广泛用于研究呼吸道病毒感染机制，并在药物反应预测中显示了价值。然而，原代细胞来源有限、体外扩增能力差以及基因编辑困难，限制了其应用。更为关键的是，仅包含上皮细胞的模型无法模拟病毒感染后上皮细胞与免疫细胞、内皮细胞和基质细胞之间的复杂通讯。诱导多能干细胞的出现克服了上述限制。iPSCs具有自我更新能力和多向分化潜能，可分化为气道上皮细胞、肺泡上皮细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞、自然杀伤细胞、内皮细胞和成纤维细胞等多种肺部相关细胞类型。此外，iPSC来源的细胞具有相同的遗传背景，便于基因操作和高通量筛选。

在气道上皮模型方面，文章详细阐述了iPSC定向分化为气道基底细胞并进一步在ALI条件下成熟为假复层气道上皮的过程。分化路径包括通过激活素信号诱导定形内胚层，随后特化出表达NKX2.1的肺祖细胞，再经Wnt信号调控分化为气道基底细胞或肺泡2型上皮细胞（type 2 alveolar epithelial cells，AT2s）。iPSC来源的气道上皮细胞在ALI培养中能够形成含有多纤毛细胞、俱乐部细胞和杯状细胞的假复层上皮，并再现呼吸道病毒对纤毛细胞的嗜性。例如，SARS-CoV-2感染iPSC来源的气道上皮细胞后主要靶向多纤毛细胞，这与原代细胞模型中的发现一致。在肺泡上皮模型方面，iPSC来源的AT2细胞（iAT2s）可在ALI条件下成熟，并用于研究SARS-CoV-2感染后的固有免疫反应和表面活性蛋白基因下调等现象。此外，近期的研究还成功从iAT2s分化出1型肺泡上皮细胞（type 1 alveolar epithelial cells，AT1s），通过调控YAP信号实现了细胞形态和功能的成熟。

文章进一步讨论了构建完整肺部模型所需的非上皮细胞类型及其iPSC分化策略。巨噬细胞在维持肺部稳态、吞噬病原体和调节炎症中发挥关键作用。iPSC来源的巨噬细胞（iPSC-derived macrophages，iMacs）可通过模拟原始或定向造血过程获得，不同分化途径得到的iMacs在炎症反应和吞噬功能上存在差异，提示其在呼吸道感染研究中可能具有不同适用性。已有研究将iMacs与iPSC来源的肺泡类器官共培养，并观察到巨噬细胞可部分增强上皮细胞对炎症刺激的反应。中性粒细胞是呼吸道病毒感染早期最主要的浸润细胞，其产生依赖于造血干细胞向粒细胞祖细胞的逐步分化。iPSC来源的中性粒细胞表现出活性氧生成、中性粒细胞胞外陷阱形成和吞噬等典型功能，但尚未被应用于呼吸道感染模型。树突状细胞（dendritic cells，DCs）在连接固有免疫和适应性免疫中起核心作用，尤其是浆细胞样树突状细胞（plasmacytoid dendritic cells，pDCs）通过产生大量I型干扰素参与抗病毒应答。目前已有多种方案可从iPSCs分化出常规树突状细胞和单核细胞来源树突状细胞，但pDCs的分化体系仍不成熟。自然杀伤细胞（natural killer cells，NK cells）通过杀伤感染细胞和产生IFN-γ发挥抗病毒作用。iPSC来源的NK细胞表达典型标志物并具有细胞毒性，但尚未用于呼吸道病毒感染研究。

内皮细胞在呼吸道感染中的作用同样不可忽视。肺内皮细胞参与气体交换、免疫细胞转运和凝血调节，在严重感染如急性呼吸窘迫综合征中，内皮屏障破坏可导致肺水肿。iPSC来源的内皮细胞可通过多种定向分化方案获得，但目前还缺乏能够特异性再现肺内皮细胞异质性的方法。研究表明，将iPSC来源的内皮细胞接种到脱细胞肺支架中可促使其获得肺内皮标志物，提示微环境在诱导细胞命运中的重要性。

基质细胞方面，肺成纤维细胞根据位置和功能可分为多种亚型，包括肌成纤维细胞、脂成纤维细胞和基质成纤维细胞。它们在感染后组织修复和肺纤维化中扮演重要角色。尽管iPSC来源的肺间充质细胞分化方案起步较晚，但已有研究显示iPSC来源的肺间充质细胞可与上皮细胞共培养并双向影响细胞命运。

文章最后提出了构建iPSC来源“迷你肺”模型的理想化工作流程。作者建议将iPSC来源的气道上皮细胞或肺泡上皮细胞与内皮细胞、造血来源免疫细胞和成纤维细胞组合，分别构建近端气道和远端肺泡的体外模型。这一模块化系统既能模拟稳态，也能模拟感染和炎症状态。为实现这一目标，需要优化培养基成分、细胞外基质、细胞接种顺序和密度，并建立各细胞类型的冷冻保存方法。文章强调，iPSC模型在基因疾病建模中具有独特优势，可通过基因编辑生成同基因对照细胞系，用于囊性纤维化、原发性纤毛运动障碍、α1-抗胰蛋白酶缺乏症和儿童间质性肺病等疾病的研究。此外，iPSC平台的遗传可操作性和可扩展性使其成为高通量药物筛选和宿主因子功能筛选的理想工具。

总体而言，本文系统总结了iPSC来源的多种肺相关细胞类型在呼吸道病毒感染研究中的应用现状，指出了当前模型的不足，并提出了构建多细胞“迷你肺”模型的前瞻性路线图。这一综述为呼吸感染疾病建模和新型治疗策略开发提供了重要的理论基础和技术指引，具有显著的学术价值和转化医学意义。