単一細胞分解能での細胞の不均一性と遺伝子発現を評価するヒト気道上皮のin vitro気液界面培養モデルの比較研究

背景: 気道上皮は、恒常性を媒介し、呼吸器病原体から保護する特殊な機能を持つ多様な細胞タイプで構成されています。気液界面でのヒト気道上皮（HAE）培養は、この不均一組織の生理学的に関連する in vitro モデルであり、気道疾患の数多くの研究を可能にしました。HAE 培養物は古典的に初代上皮細胞に由来しており、その継代能力が比較的限られているため、実験方法や研究デザインが制限される可能性があります。hTERT を発現するように操作された、以前に記載され広く使用されている基底細胞株である BCi-NS1.1 は、HAE への分化能力を保持しながら継代寿命の延長を示します。ただし、BCi-NS1.1 由来 HAE 培養物と初代由来 HAE 培養物における遺伝子発現と自然免疫機能は十分に特徴付けられていません。 方法：BCi-NS1.1由来のHAE培養物（n = 3の独立した分化）および初代由来HAE培養物（n = 3の異なるドナー）を免疫蛍光および単一細胞RNA-Seq（scRNA-Seq）によって特徴付けた。自然免疫機能は、インターフェロン刺激とウイルスおよび細菌性呼吸器病原体による感染に応答して評価されました。 結果: BCi-NS1.1 および初代由来 HAE 培養物が、形態、細胞型組成、全体的な遺伝子発現パターンにおいてほぼ類似していることを高解像度で確認しました。BCi-NS1.1由来のHAE培養物において、いくつかのインターフェロン刺激遺伝子の細胞型特異的発現の違いを観察しましたが、A型インフルエンザウイルスと黄色ブドウ球菌の感染に対する感受性の有意な違いは観察されませんでした。 結論: まとめると、我々の結果は、BCi-NS1.1 由来 HAE 培養物が気道感染症の研究のための貴重なツールであることをさらに裏付けています。

BACKGROUND: The airway epithelium is composed of diverse cell types with specialized functions that mediate homeostasis and protect against respiratory pathogens. Human airway epithelial (HAE) cultures at air-liquid interface are a physiologically relevant in vitro model of this heterogeneous tissue and have enabled numerous studies of airway disease. HAE cultures are classically derived from primary epithelial cells, the relatively limited passage capacity of which can limit experimental methods and study designs. BCi-NS1.1, a previously described and widely used basal cell line engineered to express hTERT, exhibits extended passage lifespan while retaining the capacity for differentiation to HAE. However, gene expression and innate immune function in BCi-NS1.1-derived versus primary-derived HAE cultures have not been fully characterized. METHODS: BCi-NS1.1-derived HAE cultures (n = 3 independent differentiations) and primary-derived HAE cultures (n = 3 distinct donors) were characterized by immunofluorescence and single cell RNA-Seq (scRNA-Seq). Innate immune functions were evaluated in response to interferon stimulation and to infection with viral and bacterial respiratory pathogens. RESULTS: We confirm at high resolution that BCi-NS1.1- and primary-derived HAE cultures are largely similar in morphology, cell type composition, and overall gene expression patterns. While we observed cell-type specific expression differences of several interferon stimulated genes in BCi-NS1.1-derived HAE cultures, we did not observe significant differences in susceptibility to infection with influenza A virus and Staphylococcus aureus. CONCLUSIONS: Taken together, our results further support BCi-NS1.1-derived HAE cultures as a valuable tool for the study of airway infectious disease.