Sci Adv︱类器官研究进展！李文妍/李华伟/贺永团队合作揭示机械应力调控内耳感觉上皮形成的新机制

耳聋是人类发病率最高的感官缺陷性疾病，其中由耳蜗感觉上皮的毛细胞或其连接螺旋神经元缺失、功能障碍所引起的感音神经性聋占主要部分。目前，生物治疗方面，除了极少数的基因突变所致感音神经性耳聋有相应的基因纠正实现听觉恢复的策略，绝大部分的感音神经性耳聋仍难以治愈。耳蜗感觉上皮是听觉信息感知和声电转换的重要功能单元，再生策略重建感觉上皮完整性和神经通路功能连接是治疗感音性神经性耳聋希望所在。明确内耳感觉上皮发育的事件和规律，对于再生治疗策略实现听觉功能恢复极为重要。感觉上皮形成经历了前体细胞阶段性扩增和特化的动态过程，其基因调控机制复杂。过往内耳发育生物学聚焦于细胞内部的基因调控命运的转变，而调控内耳前体细胞命运转变的驱动力仍未知。

图1 类器官揭示生物机械应力调控听觉器官形成

为克服发育的内耳深在颞骨难以操控等问题，复旦大学附属眼耳鼻喉科医院李文妍研究员、李华伟教授课题组与浙江大学机械工程学院贺永教授课题组合作，借助内耳类器官模型，并建立机械力可控的复合水凝胶体系操控其生长，揭示了细胞外基质（ECM）机械应力为内耳感觉上皮发生的驱动力。相关成果“Varying Mechanical Forces Drive Sensory Epithelium Formation”于2023年11月3日发表在Science子刊《Science Advances》。

该项研究制备机械性能可控的复合水凝胶体系，培育内耳前体细胞来源的类器官，通过操控水凝胶的机械应力，可精准的控制类器官细胞的扩增和向毛细胞定向分化。作者假设水凝胶的机械应力模拟内耳发育的周围ECM的推挤力，推动感觉上皮的发生。通过比对一系列动态形成的类器官和体内耳蜗上皮的分子标志物以及发育的感觉上皮周围的硬度，验证水凝胶机械应力推动含有毛细胞类器官形成高度模拟了ECM机械应力驱使内耳感觉上皮发生。

图2 ECM机械应力调控内耳感觉上皮发生的机制

进一步剖析ECM机械应力如何调控细胞内部的信号实现阶段性的扩增和特化，作者发现中度机械力活化了ITGA3、F-actin骨架、YAP等重要信号机械转导分子，并通过基因和抑制剂等联合干预，揭示ECM机械力调控前体细胞扩增通过细胞表面的ITGA3感知，促发F-actin骨架重聚，继而使得YAP进入细胞核完成该过程。为明确细胞分化阶段的调控规律，利用RNAseq对比中度机械力和高度机械力水凝胶培育的内耳类器官的基因组，发现机械感受分子PIEZO2、ERK信号、机械转导效应分子KLF2等的编码基因明显改变。继而，通过上下游基因干预和小分子化合物抑制剂等联合干预，明确ECM机械力调控内耳前体细胞转变为毛细胞的机制：ECM机械力活化PIEZO2，使得钙离子内流，继而使得ERK去磷酸化，导致转录因子KLF2的活化实现前体细胞特化为毛细胞这一过程。

图3 3D打印高度类似内耳感觉上皮的螺旋状类器官

该项研究突破性利用内耳类器官剖析内耳发育的规律，解析了相应调控细胞增殖和分化的靶点，相关靶点将应用于感音神经性耳聋重建策略的制定研究。为使得内耳类器官更加形态化模拟感觉上皮的螺旋状结构，本研究利用复合水凝胶结合3D打印技术构建了高度类似内耳感觉上皮的类器官，形成的毛细胞具备纤毛样形态。这一形态颠覆了以往内耳类器官的封闭囊状结构，推动内耳类器官迈向结构化。

李文妍、李华伟团队长期从事感音神经性耳聋的临床和基础研究，深耕内耳类器官平台开发和应用。此前团队开发内耳类器官培养体系，发现细胞外基质（ECM）的机械物理作用调控内耳前体细胞的增殖的机制(Xia et al., 2020)，该项研究发现的YAP关键分子为毛细胞再生提供了关键靶点。分阶段打造听觉通路体外模型，建立了首个具备功能性突触连接的耳蜗微器官(Xia et al., 2023)，目前正推向毛细胞及螺旋神经元突触连接功能障碍的疾病模拟、基因筛选、药物筛选的相关应用研究。

复旦大学附属眼耳鼻喉科医院夏明宇、吴明轩及浙江大学机械工程学院李元戎为该研究共同第一作者，李文妍研究员、李华伟教授和贺永教授为共同通讯作者。此项研究参与人员还有复旦大学刘耀谦、马艽遥、楼伊云、贾高干和浙江大学高庆等。本研究由科技部“干细胞及转化研究”国家重点研发计划、国家自然科学重大专项和上海市科委项目等多项基金的资助。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf2664

参考文献：

Xia, M., Chen, Y., He, Y., Li, H., and Li, W. (2020). Activation of the RhoA-YAP-beta-catenin signaling axis promotes the expansion of inner ear progenitor cells in 3D culture. Stem Cells 38, 860-874.

Xia, M., Ma, J., Wu, M., Guo, L., Chen, Y., Li, G.L., Sun, S., Chai, R., Li, H., and Li, W. (2023). Generation of innervated cochlear organoid recapitulates early development of auditory unit. Stem Cell Reports 18, 319-336.