Intestinal organoid modeling of SARS-CoV-2-stimulated innate and adaptive immunity

SARS-CoV-2 刺激的先天性和适应性免疫的肠道类器官模型

基本信息

  • 批准号:
    10319858
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 39.36万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-07-15 至 2024-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

ABSTRACT The COVID-19 pandemic, engendered by the novel coronavirus SARS-CoV-2, is a grave threat to public health, with lung infection and respiratory failure. However, the intestine is also targeted by SARS-CoV-2, as many patients present with GI symptoms and the SARS-CoV-2 receptor angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) is abundantly expressed by intestinal epithelium. COVID-19 mortality is strongly associated with systemic inflammation as in “cytokine storm”, fostering attempts at therapeutic immunomodulation, and raising a critical need for in vitro human systems modeling SARS-CoV-2-induced immune cell interactions with intestinal epithelium. Conventional 3D organoid cultures (“enteroids”) allow intestinal epithelial SARS-CoV-2 infection but unfortunately omit immune cells. Here we generate a holistic intestinal in vitro model of SARS-CoV-2 infection using air-liquid interface (ALI) organoids containing both epithelium and infiltrating immune cells en bloc without artificial reconstitution. The complex intestinal immune system of ALI intestinal organoids contains various innate and adaptive immune cells, highly diverse T cell receptor (TCR) and B cell receptor (BCR) repertoire, and plasma B cell-derived antibody transcripts. Importantly, immune components in these ALI organoids respond efficiently to epithelial damage and ALI intestinal organoids are highly susceptible to bacterial and viral infections. Here, we utilize this unique ALI organoid technology with integrated immune components to explore sequelae of SARS-CoV-2 infection. Aim 1 establishes and optimizes BSL3 SARS-CoV-2 infection of ALI intestinal organoids, exploiting a novel eversion method to relocate the apical aspect of ACE2-expressing cells to the external surface, allowing survey of SARS-CoV-2 infection of different regions of small intestine and colon. The time course of tissue-resident SARS-CoV-2-induced cross-talk between intestinal epithelium and immune cells is unknown, as hindered by lack of human experimental systems. Thus, Aim 2 performs a scRNA- seq and CyTOF study of SARS-CoV-2-induced immune responses within ALI organoids to (1) create a network model of the temporal propagation of immunity and bidirectional communication between epithelium and immune cells and (2) perform therapeutic testing against nodal vulnerabilities, correlating against clinical status (naïve, convalescent, immunized, cross-reactive coronavirus). Current epithelial organoid systems also do not allow study of adaptive immunity. Aim 3 thus recapitulates SARS-CoV-2 adaptive immune responses by co-culturing ALI intestinal organoids with newly developed human lymph node organoids. Within such SARS-CoV-2-infected co-cultures we correlate adaptive immune responses with clinical status including prior cross-reactive coronavirus infection and SARS-CoV-2 naïve, convalescent and ultimately immunized states. Overall, we leverage collaboration from Mark Davis (human LN culture) and Catherine Blish and Scott Boyd (SARS-CoV-2) to create human in vitro systems modeling SARS-CoV-2-induced innate and adaptive immunity, with relevance for pathogenesis investigations and therapeutics testing.
抽象的 由新颖的冠状病毒SARS-COV-2引起的Covid-19-19大流行是对公共卫生的严重威胁, 肺部感染和呼吸衰竭。但是,肠子也受到SARS-COV-2的瞄准,因为许多 出现胃肠道符号和SARS-COV-2受体血管紧张素转换酶2(ACE2)的患者为 几乎用肠上皮表达。 COVID-19死亡率与全身性密切相关 炎症如“细胞因子风暴”,促进治疗性免疫调节的尝试并提高关键 需要在体外​​人体系统建模SARS-COV-2诱导的免疫细胞与肠道的相互作用 上皮。常规的3D器官培养物(“肠动物”)允许肠上皮SARS-COV-2感染,但 不幸的是,省略了免疫细胞。在这里,我们生成了SARS-COV-2感染的整体体外肠道模型 使用含有上皮和浸润的免疫细胞的空气界面(ALI)类器官,无需 人造重构。 Ali肠道器官的复杂肠道免疫系统包含各种先天 和自适应免疫电池,高度潜水T细胞受体(TCR)和B细胞受体(BCR)曲目以及等离子体 B细胞衍生的抗体转录本。重要的是,这些ALI器官中的免疫成分有效地反应 对上皮损伤和Ali肠道类器官非常容易受到细菌和病毒感染的影响。 在这里,我们利用这种独特的Ali类器官技术,具有集成的免疫组件 探索SARS-COV-2感染的后遗症。 AIM 1建立并优化了BSL3 SARS-COV-2感染 Ali肠道器官,利用一种新型的Eversation方法来重新放置ACE2表达的顶端 细胞到外表面,允许对小肠不同区域的SARS-COV-2感染进行调查 冒号。肠上皮和 由于缺乏人类实验系统的阻碍,免疫细胞是未知的。那是AIM 2执行scrna- SARS-COV-2-2诱导的ALI器官中SARS-COV-2诱导的免疫反应的SEQ和CYTOF研究(1)创建网络 上皮和免疫之间免疫和双向通信的暂时传播模型 细胞和(2)针对淋巴结漏洞进行治疗测试,与临床状况相关(幼稚, 康复,免疫抑制,交叉反应性冠状病毒)。当前的上皮器官系统也不允许 适应性免疫学研究。 AIM 3因此,通过共培养来概括SARS-COV-2自适应免疫学反应 带有新发育的人淋巴结器官的Ali肠道器官。在此类SARS-COV-2感染中 共培养我们将适应性免疫复杂与临床状态相关联,包括先前的交叉反应 冠状病毒感染和SARS-COV-2幼稚,疗养和最终免疫抑制状态。总体而言,我们 利用马克·戴维斯(Mark Davis)(人类LN文化)和凯瑟琳·布莱什(Catherine Blish)和斯科特·博伊德(Scott Boyd)(SARS-COV-2)的合作 建立人类的体外系统建模SARS-COV-2诱导的先天和适应性免疫学,并具有相关性 用于发病机理研究和治疗测试。

项目成果

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