ヒト腎臓近位尿細管上皮細胞の長期培養は系統機能を維持し、コロナウイルスによる腎障害のex vivoモデルとなる

Long Term Culture of Human Kidney Proximal Tubule Epithelial Cells Maintains Lineage Functions and Serves as an Ex vivo Model for Coronavirus Associated Kidney Injury.

• Siyu Xia
• Ming Wu
• Si Chen
• Tao Zhang
• Lina Ye
• Jun Liu
• Hui Li

抄録

SARS-CoV-2がどのようにして重症多臓器不全を引き起こすのか、そのメカニズムはほとんどわかっていない。急性腎障害（AKI）は、重症COVID-19患者において頻繁に起こる臓器障害の一つである。これまでの研究では、ヒト腎尿細管細胞がSARS-CoV-2によって標的とされる潜在的な宿主細胞であり得ることが示されている。従来の癌細胞株または不死化細胞株は、宿主細胞とは遺伝的および表現型が異なる。動物モデルは広く使用されているが、しばしば、種のトロピズムのために、生理学的および病原性の状態を反映していないことが多い。疾患モデル化のための正常ヒト上皮細胞に対するアンメットニーズがある。本研究では、条件付き再プログラミング（CR）とオルガノイド技術を用いて、正常ヒト腎臓近位尿細管上皮細胞（KPTECs）を2Dおよび3D培養系で長期培養することに成功しました。これらの細胞は、分化とDNA損傷の修復能力を有し、形質転換性を示さなかった。重要なことは、CR KPTECsは特定のトランスポーター（SLC34A3とcubilin）を発現し、系統機能を維持していたことである。また、SARS-CoVおよびSARS-CoV-2の受容体であるアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）も発現していた。対照的に、癌細胞株は、内因性のSLC34A3、キュービリンおよびACE2を発現しなかった。興味深いことに、ACE2 の発現は、2DCR 培養条件に比べて、3D オルガノイド培養で約 2 倍高くなっていた。SARS-CoVスパイク（S）タンパク質は、ルシフェラーゼレポーターを用いてCR細胞に侵入することができた。この2D CRと3Dオルガノイド培養は、腎臓機能、腎臓細胞のウイルスに対する自然免疫応答を研究するための生理学的なex vivoモデルを提供し、創薬や安全性評価のための新しいプラットフォームを提供します。

The mechanism of how SARS-CoV-2 causes severe multi-organ failure is largely unknown. Acute kidney injury (AKI) is one of the frequent organ damage in severe COVID-19 patients. Previous studies have shown that human renal tubule cells could be the potential host cells targeted by SARS-CoV-2. Traditional cancer cell lines or immortalized cell lines are genetically and phenotypically different from host cells. Animal models are widely used, but often fail to reflect a physiological and pathogenic status because of species tropisms. There is an unmet need for normal human epithelial cells for disease modeling. In this study, we successfully established long term cultures of normal human kidney proximal tubule epithelial cells (KPTECs) in 2D and 3D culture systems using conditional reprogramming (CR) and organoids techniques. These cells had the ability to differentiate and repair DNA damage, and showed no transforming property. Importantly, the CR KPTECs maintained lineage function with expression of specific transporters (SLC34A3 and cubilin). They also expressed angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2), a receptor for SARS-CoV and SARS-CoV-2. In contrast, cancer cell line did not express endogenous SLC34A3, cubilin and ACE2. Very interestingly, ACE2 expression was around twofold higher in 3D organoids culture compared to that in 2D CR culture condition. Pseudovirion assays demonstrated that SARS-CoV spike (S) protein was able to enter CR cells with luciferase reporter. This integrated 2D CR and 3D organoid cultures provide a physiological ex vivo model to study kidney functions, innate immune response of kidney cells to viruses, and a novel platform for drug discovery and safety evaluation.