2026年5月12日，广州国家实验室徐涛院士/刘会生研究员团队在Journal of Nanobiotechnology在线发表题为“Robust generation of distal respiratory airway organoids by an engineered cuboid chip”的研究论文，成功设计并制造了一种工程化长方体芯片（Engineered Cuboid Chip），通过优化三维培养微环境，克服了传统滴定培养法中的营养扩散限制，将肺祖细胞（LPC）球体的产量提高了7.5倍，肺关键标志物NKX2.1的表达量提升了近300倍。研究团队仅用30天便成功构建出结构与功能成熟的人远端呼吸道类器官（Distal Respiratory Airways，DRAOs），并证实其在体外能模拟慢性阻塞性肺疾病（Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD）病理特征，在体内移植后可修复COPD小鼠的肺泡损伤，为呼吸系统疾病的机制研究与细胞替代疗法提供了全新的工程化平台与临床转化策略。
慢性阻塞性肺疾病是全球范围内导致死亡的重要呼吸系统疾病之一，每年造成超过300万人死亡。远端呼吸道位于终末细支气管、呼吸性细支气管与肺泡连接区域，是COPD、肺纤维化等多种慢性肺病发生发展的核心病变区域。然而，由于该区域结构极其微小，且小鼠等传统动物模型缺乏对应解剖结构，长期以来人类远端呼吸道的发育机制、细胞组成及疾病过程始终缺少可靠研究模型。近年来，单细胞测序和空间转录组学研究发现，远端呼吸道存在多类此前未被充分认识的特异性细胞群，但如何在体外稳定构建具备真实结构与功能的人源远端呼吸道模型，仍是领域内的重要技术瓶颈。
针对传统Matrigel“液滴”培养中普遍存在的营养扩散受限、氧供不足以及类器官内部“坏死核心”等问题，研究团队设计了一种工程化长方体芯片培养平台。与传统液滴培养不同，该平台通过将细胞-基质混合物均匀填充至微腔中，使类器官与培养液之间始终保持稳定且均匀的物质交换距离，从而显著改善氧气与营养扩散效率。实验结果显示，该工程化芯片可将肺祖细胞（LPC）球体产量提升约7.5倍，关键肺祖细胞标志物NKX2.1表达提高近300倍，同时显著提高SOX9Bright/NKX2.1Bright远端肺祖细胞比例，大幅增强远端肺分化倾向。
单细胞转录组测序分析显示，工程化芯片培养体系显著促进了远端肺祖细胞（D-LPCs）的形成。相比传统培养方法，芯片组中远端肺祖细胞比例明显增加，而近端肺祖细胞比例下降；同时，Wnt信号、分支形态发生以及上皮管道形成等与肺远端发育相关通路显著富集，表明该工程化微环境能够有效模拟肺发育过程中远端肺形成所需的空间与生物学条件。
研究团队进一步优化诱导分化体系，成功在30天内快速构建出结构与功能成熟的远端呼吸道类器官。研究发现，超过70%的类器官细胞同时表达SCGB3A2和SFTPB等典型远端呼吸道标志物，其细胞组成与人胎肺远端呼吸道高度相似。单细胞测序结果进一步证实，该类器官中不仅包含远端呼吸道分泌细胞，还存在AT1样细胞、肺神经内分泌细胞（PNECs）等多个关键肺上皮细胞群，表明该体系能够稳定重建复杂的人远端呼吸道微结构。
研究还发现，该类器官具备向肺泡类器官分化的能力。通过撤除Wnt激活剂CHIR99021，DRAOs可进一步分化为肺泡样结构，并逐渐形成大量AT1与AT2肺泡细胞。培养14天后，类器官平均直径可扩增至约1300 um，且AT1细胞标志物AGER、HOPX及AT2细胞标志物SFTPC、ABCA3显著上调。单细胞测序与免疫荧光结果均证实，类器官内部形成了具备肺泡成熟特征的细胞群体，说明该平台不仅能够重建远端气道，还具备向肺泡再生方向演化的潜力。
为验证其疾病建模能力，研究团队利用香烟烟雾提取物（CSE）对DRAOs进行刺激，构建了COPD体外模型。随着CSE浓度升高，类器官细胞死亡率显著增加，COPD相关黏液蛋白MUC5AC表达明显增强，模拟了COPD患者中典型的黏液高分泌与气道损伤特征。此外，研究还通过BODIPY标记磷脂实验发现，DRAOs具备活跃的摄取与分泌功能，证明其具有较高功能成熟度，可用于呼吸系统疾病机制研究与药物评价。
更重要的是，研究团队进一步验证了DRAOs在肺损伤修复中的应用潜力。研究人员通过PPE/LPS联合诱导建立COPD样小鼠模型，并将DRAOs经气管内移植至受损肺组织中。结果显示，接受DRAOs移植的小鼠体重下降减缓，肺泡塌陷和肺结构破坏得到改善。免疫荧光结果证实，移植后的DRAOs能够在体内长期存活，并分化形成AT1和AT2肺泡细胞，参与肺泡壁重建与肺组织再生。这表明DRAOs不仅可作为疾病模型，还具备潜在的细胞治疗价值，为COPD等慢性肺病再生治疗提供了新的思路。
研究团队表示，该研究建立了一种兼具高效率、可扩展性与高成熟度的人源远端呼吸道类器官构建新策略，可实现接近体内结构与功能的人源类器官构建。该平台不仅为研究人类远端呼吸道发育与疾病机制提供了关键工具，也为COPD等重大呼吸系统疾病的精准建模、药物筛选以及再生医学治疗奠定了重要基础。
慢性阻塞性肺疾病是全球范围内导致死亡的重要呼吸系统疾病之一，每年造成超过300万人死亡。远端呼吸道位于终末细支气管、呼吸性细支气管与肺泡连接区域，是COPD、肺纤维化等多种慢性肺病发生发展的核心病变区域。然而，由于该区域结构极其微小，且小鼠等传统动物模型缺乏对应解剖结构，长期以来人类远端呼吸道的发育机制、细胞组成及疾病过程始终缺少可靠研究模型。近年来，单细胞测序和空间转录组学研究发现，远端呼吸道存在多类此前未被充分认识的特异性细胞群，但如何在体外稳定构建具备真实结构与功能的人源远端呼吸道模型，仍是领域内的重要技术瓶颈。
针对传统Matrigel“液滴”培养中普遍存在的营养扩散受限、氧供不足以及类器官内部“坏死核心”等问题，研究团队设计了一种工程化长方体芯片培养平台。与传统液滴培养不同，该平台通过将细胞-基质混合物均匀填充至微腔中，使类器官与培养液之间始终保持稳定且均匀的物质交换距离，从而显著改善氧气与营养扩散效率。实验结果显示，该工程化芯片可将肺祖细胞（LPC）球体产量提升约7.5倍，关键肺祖细胞标志物NKX2.1表达提高近300倍，同时显著提高SOX9Bright/NKX2.1Bright远端肺祖细胞比例，大幅增强远端肺分化倾向。
单细胞转录组测序分析显示，工程化芯片培养体系显著促进了远端肺祖细胞（D-LPCs）的形成。相比传统培养方法，芯片组中远端肺祖细胞比例明显增加，而近端肺祖细胞比例下降；同时，Wnt信号、分支形态发生以及上皮管道形成等与肺远端发育相关通路显著富集，表明该工程化微环境能够有效模拟肺发育过程中远端肺形成所需的空间与生物学条件。
研究团队进一步优化诱导分化体系，成功在30天内快速构建出结构与功能成熟的远端呼吸道类器官。研究发现，超过70%的类器官细胞同时表达SCGB3A2和SFTPB等典型远端呼吸道标志物，其细胞组成与人胎肺远端呼吸道高度相似。单细胞测序结果进一步证实，该类器官中不仅包含远端呼吸道分泌细胞，还存在AT1样细胞、肺神经内分泌细胞（PNECs）等多个关键肺上皮细胞群，表明该体系能够稳定重建复杂的人远端呼吸道微结构。
研究还发现，该类器官具备向肺泡类器官分化的能力。通过撤除Wnt激活剂CHIR99021，DRAOs可进一步分化为肺泡样结构，并逐渐形成大量AT1与AT2肺泡细胞。培养14天后，类器官平均直径可扩增至约1300 um，且AT1细胞标志物AGER、HOPX及AT2细胞标志物SFTPC、ABCA3显著上调。单细胞测序与免疫荧光结果均证实，类器官内部形成了具备肺泡成熟特征的细胞群体，说明该平台不仅能够重建远端气道，还具备向肺泡再生方向演化的潜力。
为验证其疾病建模能力，研究团队利用香烟烟雾提取物（CSE）对DRAOs进行刺激，构建了COPD体外模型。随着CSE浓度升高，类器官细胞死亡率显著增加，COPD相关黏液蛋白MUC5AC表达明显增强，模拟了COPD患者中典型的黏液高分泌与气道损伤特征。此外，研究还通过BODIPY标记磷脂实验发现，DRAOs具备活跃的摄取与分泌功能，证明其具有较高功能成熟度，可用于呼吸系统疾病机制研究与药物评价。
更重要的是，研究团队进一步验证了DRAOs在肺损伤修复中的应用潜力。研究人员通过PPE/LPS联合诱导建立COPD样小鼠模型，并将DRAOs经气管内移植至受损肺组织中。结果显示，接受DRAOs移植的小鼠体重下降减缓，肺泡塌陷和肺结构破坏得到改善。免疫荧光结果证实，移植后的DRAOs能够在体内长期存活，并分化形成AT1和AT2肺泡细胞，参与肺泡壁重建与肺组织再生。这表明DRAOs不仅可作为疾病模型，还具备潜在的细胞治疗价值，为COPD等慢性肺病再生治疗提供了新的思路。
研究团队表示，该研究建立了一种兼具高效率、可扩展性与高成熟度的人源远端呼吸道类器官构建新策略，可实现接近体内结构与功能的人源类器官构建。该平台不仅为研究人类远端呼吸道发育与疾病机制提供了关键工具，也为COPD等重大呼吸系统疾病的精准建模、药物筛选以及再生医学治疗奠定了重要基础。
图1 体内远端呼吸道解剖结构与体外构建远端呼吸道类器官示意图
广州国家实验室刘会生研究员、徐涛院士、孙佳琦副研究员、尹佳祥副研究员为本文共同通讯作者，广州国家实验室副研究员尹佳祥博士，广州国家实验室研究实习员毕子荣和广州国家实验室与华中科技大学联合培养博士研究生戴天凯为论文共同第一作者。本研究得到了广州国家实验室科研任务专项项目的大力支持。广州国家实验室公共技术服务中心等为本研究提供了重要的技术支持。
论文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s12951-026-04522-y
论文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s12951-026-04522-y
