iPS细胞“复刻”胸腺！京都大学突破：体外重现人类胸腺发育，免疫缺陷治疗迎来新曙光

在一项新的研究中，由京都大学 Yoko Hamazaki 教授和 Yann Pretemer 助理教授领导的研究团队，用诱导性多能干细胞（iPS 细胞）实现了一项关键突破——他们开发出完全体外的培养系统，能忠实重现人类胸腺上皮细胞（TEC）从早期发育到终末成熟的全过程。

这项发表在《Nature Communications》的成果，不仅填补了人类胸腺器官发生研究的空白，更为免疫缺陷疾病（如迪乔治综合征）的治疗、功能性 T 细胞的体外制备打开了新大门。

胸腺是免疫系统的 “训练基地”：它通过TEC构建的微环境，指导未成熟胸腺细胞（胸腺细胞）分化为能区分 “自我” 与 “非我” 的成熟T 细胞—— 皮质TEC（cTEC）负责筛选能识别外来抗原的T 细胞（阳性选择），髓质TEC（mTEC）则清除会攻击自身组织的T 细胞（阴性选择），而AIRE蛋白是mTEC实现自我耐受的核心分子。但TEC高度异质性且极难从人体分离 —— 尤其是胚胎发育阶段的TEC，加上小鼠模型与人类胸腺在 gestation 时间、形态（如人类特有的哈氏小体）上差异显著，原代TEC体外培养又会快速丢失关键基因（如FOXN1），这些都让人类胸腺发育机制研究长期受限。

为突破这些瓶颈，研究团队设计了一套化学成分明确的诱导方案，让iPS 细胞一步步 “变身” 为TEC：首先用Activin A、CHIR99021等因子引导iPS 细胞分化为定形内胚层（DE），再通过BMP抑制剂LDN-193189和TGFβ抑制剂A-83-01诱导出前肠前段内胚层（AFE）——这是胸腺、甲状腺等咽器官的共同前体。

最关键的一步在第 7 天：团队加入视黄酸（RA）和FGF8，RA精准调控HOXA3基因（指定胸腺起源的第三咽囊位置）的表达，FGF8则促进咽结构发育，最终在第 28 天诱导出FOXN1⁺ TEC祖细胞样细胞，其FOXN1表达量达到儿科捐赠者原代TEC的一半左右。

为实时追踪TEC发育，团队还构建了FOXN1-mCherry荧光报告iPS 细胞系——在FOXN1基因末端插入T2A-mCherry序列，只要FOXN1表达，细胞就会发出红色荧光。观察发现，第 28 天细胞首次出现微弱荧光；到第 57 天，荧光细胞分化为mCherryhigh和mCherrylow两个群体；直至第 133 天，mCherryhigh群体成为cTEC（高表达PSMB11、PRSS16等cTEC特异性蛋白，负责T 细胞阳性选择），mCherrylow群体则分化为mTEC（表达CCL19、CCL21等趋化因子，引导T 细胞向髓质迁移），甚至形成高度约 100μm 的 3D 结节，重现胸腺皮质与髓质的空间分隔结构。

更重要的是，这些诱导出的TEC（iTEC）具备完整功能。它们不仅表达IL-7（支持T 细胞存活）、DLL4（T 细胞分化关键配体）和MHC II类分子（CD4⁺ T 细胞选择必需），还能在与人类胸腺细胞共培养时 “训练” 出功能性T 细胞。团队将第 37 天的mCherry⁺ iTEC，与儿科捐赠者的双阳性（DP，即未成熟CD4⁺CD8⁺）胸腺细胞在气液界面类器官中共培养 2 周，结果令人惊喜：iTEC能将 91% 的DP细胞诱导为CD4⁺和CD8⁺单阳性（SP）成熟T 细胞，其中CD4⁺ SP占 47%、CD8⁺ SP占 21%，远优于传统的MS5-hDLL1细胞系（仅产生少量SP细胞）。这些SP细胞中，CD62L⁺CD45RA⁺CCR7⁺的 “初始T 细胞” 比例显著高于对照组，且TCRβ受体库的多样性与儿科供体的原代SP细胞高度相似（Shannon 指数接近），证明iTEC能完美复刻胸腺的 “训练” 功能。

共培养还推动了iTEC的终末成熟：原本未表达的AIRE基因，在共培养后上调至原代TEC的 6%，同时出现神经元样模拟性TEC（表达ASCL1、NEUROG1等神经分化标志物）和分泌细胞样模拟性TEC（表达SLPI、CXCL17等分泌蛋白）——这些模拟性TEC是胸腺实现 “自我耐受” 的关键，它们模仿胸腺外组织的抗原，提前让T 细胞“认识” 自身组织，避免 autoimmune 疾病。

单细胞 RNA 测序进一步验证了iTEC的 “真实性”：将第 133 天的iTEC与 3 名儿科捐赠者的原代胸腺基质细胞整合分析发现，iTEC的cTEC群体与原代cTEC完全 “共簇”，且共享LY75、DLL4等关键标志物；iTEC的mTEC则对应原代mTEC的不同亚型——mTEC I匹配分泌趋化因子的mTEC-CCL19/21，mTEC II匹配高表达MHC II的mTEC-CLDN3/4（含AIRE⁺细胞），mTEC III则是分泌细胞样模拟性TEC。基因调控网络分析还发现，ELF3、GRHL1、GRHL3等转录因子在mTEC分化中起核心作用，这与小鼠研究中这些因子调控FOXN1和模拟性TEC发育的结论一致，证明人类与小鼠的TEC发育机制存在共通性。

值得注意的是，培养体系中还自发出现了间充质样细胞（表达VIM），它们分泌BMP、FGF家族因子和胶原蛋白、层粘连蛋白等细胞外基质成分，通过“上皮 - 间质相互作用”为iTEC提供微环境支持——这正是iTEC能在 2D 培养中稳定维持FOXN1表达和功能长达 133 天的关键，而传统原代TEC在体外几天内就会丢失FOXN1。

这项研究的价值远超基础科学：对于迪乔治综合征、Pignata Guarino 综合征等先天性无胸腺症患者，目前唯一的治疗是胸腺移植，但面临供体稀缺、免疫排斥和移植后感染风险。而该系统可利用患者自身iPS 细胞诱导iTEC，再体外生成匹配MHC的功能性T 细胞，实现 “无排斥” 的免疫重建；对于化疗导致的胸腺损伤或衰老相关的胸腺萎缩，也可通过该模型筛选促进iTEC增殖的药物（如调控NF-κB、NOTCH信号的分子），推动胸腺再生。此外，它还能模拟先天性胸腺疾病的病理过程——比如FOXN1突变导致的 “裸鼠样” 表型，帮助科学家找到致病机制。

“这不仅是胸腺研究的突破，更是再生免疫医学的一步关键棋。” 研究团队表示，未来将进一步优化iTEC的成熟效率，推动其向临床转化，为更多免疫缺陷患者带来希望。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Yann Pretemer et al, An iPSC-based in vitro model recapitulates human thymic epithelial development and multi-lineage specification, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62523-1.