揭秘LPA在脑肺肠类器官极性中的关键作用

类器官培养技术已成为研究人体发育和疾病的重要工具，其中顶底极性的建立对于组织形态发生至关重要。传统上，细胞外基质(ECM)通过整合素信号传导提供基底极性信号，使大多数类器官形成顶端向内的球形结构。然而，当肠道和肺类器官从ECM中移除后，会发生极性反转，形成顶端向外的结构。这种现象提示可能存在外源性顶端极性信号。目前已知的顶端向外类器官制备方法包括使用阻断β1整合素功能的抗体或移除ECM，但这些研究无法解释为什么移除基底信号会导致极性重新定向，而非维持原有极性。因此，研究者假设在培养基中可能存在顶端极性线索。

2025年6月10日，发表在Cell Reports上题为Lysophosphatidic acid and sphingosine-1-phosphate are apical polarity cues in multiple organoid systems的研究通过实验验证了这一假设，发现溶血磷脂酸(LPA)和鞘氨醇-1-磷酸(S1P)是两种关键的顶端极性线索。这两种磷脂通过激活G蛋白偶联受体(GPCR)和RhoA信号通路，诱导脑、肺和肠类器官形成顶端向外的结构。研究还发现，LPA在人脑脊液中的浓度约为190±80 nM，这一浓度足以诱导类器官的顶端向外极性。此外，LPA和S1P在多种组织和发育阶段中均能诱导顶端向外极性，表明它们在类器官和组织极性调控中具有普遍作用。

研究结果

1，LPA诱导脑类器官顶端向外极性形成。研究者首先建立了无ECM的脑类器官培养体系，通过重新聚集人多能干细胞来源的神经上皮细胞悬液形成球体。在标准培养基中，这些球体在48小时内形成多个顶端向内的玫瑰花结构，ZO1和F-肌动蛋白标记显示典型的顶端向内腔室结构。然而，当在培养基中添加1%血清时，所有类器官都转变为顶端向外结构，ZO1和F-肌动蛋白定位于外侧边缘。为确定血清中的活性成分，研究者对血清进行98°C加热10分钟以变性蛋白质，发现加热处理并未阻断顶端向外效应，提示脂质可能是关键因子。进一步测试发现，200 nM LPA足以诱导顶端向外定向，这一浓度接近人脑脊液中LPA的生理浓度(190±80 nM)。使用含有ZO1-EGFP标记的iPSC系，研究者确认了高级DMEM/F12和含20% KOSR的培养基同样能诱导顶端向外极性，这与之前发表的顶端向外类器官制备方案一致。

2，磷脂特异性和浓度依赖性分析。研究者系统性地测试了多种磷脂对类器官极性的影响，包括心磷脂、溶血磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰乙醇胺、磷脂酸(PA)、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸和S1P。结果显示，只有PA和S1P能诱导顶端向外定向。进一步分析发现，PA可能通过磷脂酶A2(PLA2)转化为LPA发挥作用，因为PLA2抑制剂ACA能部分阻断PA的效应，而LPA酰基转移酶抑制剂利索非林也能阻断PA依赖的表型。浓度-效应关系研究表明，LPA在30-300 nM范围内能产生理想的顶端向外结构，而在1-10 μM的高浓度下会导致紧密连接屏障破坏。时间序列分析显示，100 nM LPA处理约5小时后类器官达到50%顶端向外，18小时后超过90%。重要的是，这种极性变化是可逆的：在LPA处理48小时后更换为不含LPA的培养基，类器官会重新形成顶端向内结构。

3，GPCR/RhoA信号通路机制。机制研究表明，LPA和S1P通过激活各自的GPCR发挥作用。LPAR1/3抑制剂KI16425完全阻断LPA诱导的顶端向外定向，但对S1P无效，表明LPA主要通过LPAR1发挥作用。LPAR1特异性激动剂UCM-05194在0.2-5 μM浓度下能部分或完全诱导顶端向外结构。下游信号研究显示，Rho抑制剂C3转移酶完全阻断LPA和S1P的效应，而Rho激活剂CN03在无磷脂条件下能显著改变顶端向内玫瑰花结构的数量和大小。ROCK抑制剂Y27632在30 μM(但非10 μM)浓度下能阻断顶端向外形成，同时导致极性结构完全丧失。F-肌动蛋白聚合分析显示，100 nM LPA处理后F-肌动蛋白水平增加2倍，而丝切蛋白磷酸化(p(S3)-Cofilin)仅在1000 nM磷脂处理后显著增加。

4，脑脊液验证和长期培养效果。使用来自正常压力脑积水患者的脑脊液进行验证，发现脑脊液在48小时内能诱导所有类器官形成顶端向外结构，且这一效应同样被Rho抑制剂阻断，证实了LPA信号在生理条件下的重要性。长期培养研究(5周)显示，持续LPA处理的脑类器官能维持稳定的顶端向外极性，同时表现出更好的类脑室带形态学特征。LPA处理组的PAX6阳性细胞数量是对照组的两倍(80±20% vs 40±10%)，TBR2阳性中间祖细胞在第35天时是对照组的三倍，表明LPA处理改善了神经祖细胞的维持和分化。

5，其他组织类器官的普遍适用性。研究进一步验证了LPA在其他组织类器官中的作用。在患者来源的小气道类器官中，100 nM LPA处理5天后，23/48的类器官在外表面出现运动纤毛，而对照组中无任何类器官出现外侧纤毛。在多系谱人肠道类器官中，10 μg/mL LPA或S1P处理导致所有类器官发生极性反转，形成顶端向外的上皮结构包围其他细胞类型。这种效应同样依赖于GPCR/RhoA通路，且表现出与脑类器官相似的抑制剂敏感性。未分化的人iPSC球体实验进一步证实了LPA作为广泛顶端信号的作用：所有LPA处理的iPSC球体都形成ZO1-EGFP标记的顶端向外结构，而mTeSR-Plus培养基单独培养则产生顶端向内腔室。

全文总结

本研究揭示了LPA和S1P在多种类器官系统中作为顶端极性信号的普遍作用机制，解释了现有顶端向外类器官制备方案的分子机制，并为优化类器官培养技术提供了分子靶点。LPA在脑脊液中的生理浓度能诱导顶端向外极性，提示其在体内神经管闭合和脑室屏障维持中的重要作用。该研究还为疾病建模和药物筛选提供了更优化的类器官培养方案，顶端向外的类器官能更好地模拟上皮表面与外界环境的相互作用，对于研究营养吸收、微生物-宿主相互作用、气液界面功能以及感染机制具有重要价值。此外，该技术避免了昂贵ECM水凝胶的使用，降低了培养成本和操作复杂性。