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腸類器官

2007年Clevers研究組在小鼠模型中證明Lgr5+上皮細(xì)胞是真正的腸上皮干細(xì)胞后[1]，腸干細(xì)胞領(lǐng)域的研究在接下來的幾年中取得了很大的進(jìn)展。該領(lǐng)域最具影響力的突破之一是建立了腸道干細(xì)胞體外3D培養(yǎng)系統(tǒng)。 Clevers 和他的同事于 2009 年在 Matrigel 中進(jìn)行了 3D 培養(yǎng)，從成人腸道干細(xì)胞中生成了腸道類器官 [2]。這是對腸道類器官培養(yǎng)首次使用小鼠小腸段進(jìn)行描述。

3D 腸道類器官由一個封閉的循環(huán)空腔組成，空腔內(nèi)襯一層腸上皮細(xì)胞系。腸上皮的分化細(xì)胞譜系，包括腸上皮細(xì)胞、腸內(nèi)分泌細(xì)胞和杯狀 (Paneth) 細(xì)胞，排列在絨毛區(qū)。腸道類器官可以來源于器官限制性成體干細(xì)胞 (ASCs) 和多能干細(xì)胞 (PSCs)。這兩種干細(xì)胞產(chǎn)生的類器官包含體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的所有腸上皮細(xì)胞類型，比例和排列相似。它們可以更大程度地模擬腸道組織，因此被稱為“迷你腸道”。大腸腫瘤細(xì)胞也可以用這個 3D 系統(tǒng)培養(yǎng)，以獲得腫瘤樣器官?？偟膩碚f，腸道類器官是研究腸道營養(yǎng)運(yùn)輸、藥物吸收、胃腸癌和腸道胰高血糖素激素分泌的寶貴模型。

腸類器官建立過程

圖1. 腸類器官建立過程

腸道類器官現(xiàn)在被廣泛用于人類疾病研究。與以往的腸道疾病模型包括細(xì)胞系培養(yǎng)或體內(nèi)動物實(shí)驗(yàn)相比，類器官培養(yǎng)具有培養(yǎng)成功率高、培養(yǎng)周期短、組織差異小、易于建立低惡性腫瘤模型等明顯優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ǘS細(xì)胞系培養(yǎng)和動物模型）相比，腸道類器官具有諸多優(yōu)勢。體外構(gòu)建的腸類器官模型包含所有類型的腸上皮細(xì)胞，具有單細(xì)胞系無法比擬的水、鐵吸收和運(yùn)輸?shù)壬砉δ?。此外，動物模型與人體模型存在較大的物種差異，無法完全模擬人體腸道的真實(shí)生理反應(yīng)，而來源于人體組織的腸道類器官可以更準(zhǔn)確地反映人體的生理和病理變化。

1、腸道類器官的最新研究

Yui等人在2012年報道小鼠實(shí)驗(yàn)證實(shí)體外培養(yǎng)的腸類器官可以通過肛門灌腸修復(fù)DSS（Dextransulfatesodium）誘導(dǎo)的結(jié)腸炎，并且這些培養(yǎng)出來的腸道類器官可以準(zhǔn)確到達(dá)受傷的上皮部位，修復(fù)受損的腸上皮組織[3] 。

Laween Meran等人使用完整的納米結(jié)構(gòu)脫細(xì)胞人腸基質(zhì)作為生物支架[4]。蛋白質(zhì)組學(xué)和拉曼光譜分析揭示了人類小腸和結(jié)腸支架的高度相似的生化特征，表明它們可以互換用作腸道工程的平臺。然后，研究人員將體外擴(kuò)張的空腸類器官植入任何類型的支架上，以有效重建具有消化和吸收等生理功能的中空移植物。移植物被移植到小鼠腎囊或皮下，可以存活并形成管腔結(jié)構(gòu)。該研究為在腸衰竭兒童患者使用特異性空腸移植療法提供了概念驗(yàn)證數(shù)據(jù)，并推進(jìn)了治療腸衰竭兒童的臨床試驗(yàn)過程。

2020年7月3日，類器官研究先驅(qū) Hans Clevers 及其團(tuán)隊在《Science》雜志上發(fā)表了題為《SARS-CoV-2 productively infects human gut enterocytes》的文章，發(fā)現(xiàn)在小腸類器官中，SARS-CoV-2 很容易感染腸道細(xì)胞。上皮細(xì)胞，受感染腸上皮細(xì)胞的病毒應(yīng)答基因顯著上調(diào)[5]。這項研究提供了腸道上皮細(xì)胞支持 SARS-CoV-2 復(fù)制的證據(jù)，表明人類腸道類器官可以作為病毒感染和生物學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

Ana C Silva 等人使用多種 iPSC 衍生的類器官，概括了體內(nèi)心臟和腸道的協(xié)調(diào)發(fā)育和成熟，證明類器官中內(nèi)胚層組織（腸道/腸）的存在有助于心臟組織的發(fā)育和成熟 [6]。這項研究表明，來自許多種系的合作組織可以在單個類器官模型中產(chǎn)生和成熟，這一突破將有助于研究發(fā)育、生理成熟和疾病過程中的多組織相互作用。

Satoshi Watanabe等人使用柔性導(dǎo)管將大約 1,000 個類器官注入結(jié)腸，其中上皮損傷最嚴(yán)重 [7]。培養(yǎng)的類器官的上皮細(xì)胞附著在受損表面并與宿主的上皮組織（結(jié)腸內(nèi)的細(xì)胞層）結(jié)合，最終形成完整的上皮組織，其中部分受損上皮層已被類器官上皮細(xì)胞取代，這項研究為使用結(jié)腸類器官移植治療嚴(yán)重潰瘍性結(jié)腸炎的人體臨床試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。今天，本研究中開發(fā)的方案已轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐，科學(xué)界和臨床界都對未來的臨床應(yīng)用感到興奮。

2、結(jié)腸類器官培養(yǎng)細(xì)胞因子

  • EGF
  • Noggin
  • R-spondin 1
  • Wnt-3a

3、腸道疾病研究靶點(diǎn)

參考文獻(xiàn)：

[1] Barker N, van Es J H, Kuipers J, et al. Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5. Nature, 2007, 449: 1003–1007.

[2] Sato, T., Vries, R. G., et al. (2009). Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche [J]. Nature 459, 262–265.

[3] Yui S, Nakamura T, Sato T, et al. Functional engraftment of colon epithelium expanded in vitro from a single adult Lgr5+ stem cell. Nat Med, 2012, 18: 618–623.

[4] Laween Meran, Isobel Massie,et al. Engineering transplantable jejunal mucosal grafts using patient-derived organoids from children with intestinal failure [J]. Nature Medicine volume 26, pages1593–1601 (2020).

[5] Mart M. Lamers, Joep Beumer, et al. SARS-CoV-2 productively infects human gut enterocytes [J]. Science. 2020 May 1 : eabc1669.

[6] Ana C Silva, Oriane B Matthys, et al. Co-emergence of cardiac and gut tissues promotes cardiomyocyte maturation within human iPSC-derived organoids [J]. Cell Stem Cell. 2021 Dec 2;28(12):2137-2152.e6.

[7] Satoshi Watanabe, Sakurako Kobayashi, et al. Transplantation of intestinal organoids into a mouse model of colitis [J]. Nat Protoc. 2022 Mar;17(3):649-671.