Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) are a promising cell source to generate the patient-specific lung organoid given their superior differentiation potential. However, the current 3D cell culture approach is tedious and time-consuming with a low success rate and high batch-to-batch variability. Here, we explored the establishment of lung bud organoids by systematically adjusting the initial confluence levels and homogeneity of cell distribution. The efficiency of single cell seeding and clump seeding was compared. Instead of the traditional 3D culture, we established a 2.5D organoid culture to enable the direct monitoring of the internal structure via microscopy. It was found that the cell confluence and distribution prior to induction were two key parameters, which strongly affected hiPSC differentiation trajectories. Lung bud organoids with positive expression of NKX 2.1, in a single-cell seeding group with homogeneously distributed hiPSCs at 70%confluence (SC_70%_hom) or a clump seeding group with heterogeneously distributed cells at 90%confluence (CL_90%_het), can be observed as early as 9 days post induction. These results suggest that a successful lung bud organoid formation with single-cell seeding of hiPSCs requires a moderate confluence and homogeneous distribution of cells, while high confluence would be a prominent factor to promote the lung organoid formation when seeding hiPSCs as clumps. 2.5D organoids generated with defined culture conditions could become a simple, efficient, and valuable tool facilitating drug screening, disease modeling and personalized medicine.

中文翻译：

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从人诱导多能干细胞生成 2.5D 肺芽类器官

人类诱导多能干细胞 (hiPSCs) 是一种很有前途的细胞来源，可以产生患者特异性肺类器官，因为它们具有卓越的分化潜力。然而，当前的 3D 细胞培养方法繁琐且耗时，成功率低，批次间差异性大。在这里，我们通过系统地调整初始汇合水平和细胞分布的均匀性来探索肺芽类器官的建立。比较了单细胞接种和团块接种的效率。与传统的 3D 培养不同，我们建立了 2.5D 类器官培养，以通过显微镜直接监测内部结构。发现诱导前的细胞汇合和分布是两个关键参数，它们强烈影响 hiPSC 分化轨迹。具有 NKX 2.1 阳性表达的肺芽类器官，在具有 70% 汇合度 (SC_70%_hom) 均匀分布的 hiPSC 的单细胞接种组或具有 90% 汇合度 (CL_90%_het) 不均匀分布的细胞的团块接种组中，可以最早在诱导后 9 天观察到。这些结果表明，通过单细胞接种 hiPSCs 成功形成肺芽类器官需要适度的汇合和均匀分布的细胞，而当以团块形式接种 hiPSCs 时，高汇合将是促进肺类器官形成的重要因素。在定义的培养条件下生成的 2.5D 类器官可以成为一种简单、高效且有价值的工具，促进药物筛选、疾病建模和个性化医疗。在具有 70% 汇合度 (SC_70%_hom) 均匀分布的 hiPSC 的单细胞接种组或具有 90% 汇合度 (CL_90%_het) 不均匀分布的细胞的丛集接种组中，最早可在诱导后 9 天观察到。这些结果表明，通过单细胞接种 hiPSCs 成功形成肺芽类器官需要适度的汇合和均匀分布的细胞，而当以团块形式接种 hiPSCs 时，高汇合将是促进肺类器官形成的重要因素。在定义的培养条件下生成的 2.5D 类器官可以成为一种简单、高效且有价值的工具，促进药物筛选、疾病建模和个性化医疗。在具有 70% 汇合度 (SC_70%_hom) 均匀分布的 hiPSC 的单细胞接种组或具有 90% 汇合度 (CL_90%_het) 不均匀分布的细胞的丛集接种组中，最早可在诱导后 9 天观察到。这些结果表明，通过单细胞接种 hiPSCs 成功形成肺芽类器官需要适度的汇合和均匀分布的细胞，而当以团块形式接种 hiPSCs 时，高汇合将是促进肺类器官形成的重要因素。在定义的培养条件下生成的 2.5D 类器官可以成为一种简单、高效且有价值的工具，促进药物筛选、疾病建模和个性化医疗。