腸道作為人體消化系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著食物消化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收和代謝的重要任務(wù)。而且，腸道不僅是人體的消化器官，也是人體重要的免疫器官。當(dāng)腸道受損時(shí)，會(huì)引發(fā)多種腸道疾病，包括炎癥性腸病、乳糜瀉、結(jié)直腸癌等。

常見(jiàn)腸道疾病

　　談及人體健康的奧秘，腸道疾病無(wú)疑是一個(gè)不可忽視的影響因素。腸道的健康直接關(guān)系到我們整體的健康狀態(tài)，一旦腸道健康受損，不僅會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)吸收不良等問(wèn)題，還會(huì)引發(fā)一系列腸道疾病。然而，隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快和飲食習(xí)慣的改變，腸道疾病的發(fā)病率逐年攀升，成為影響人們生活質(zhì)量的重要因素之一。根據(jù)國(guó)家癌癥中心2024年3月發(fā)表于《中華腫瘤雜志》的《2022年中國(guó)惡性腫瘤流行情況分析》中數(shù)據(jù)表明，2022年我國(guó)結(jié)直腸癌新發(fā)病例數(shù)位于惡性腫瘤第二位[1]。以下為常見(jiàn)的腸道疾病：

　　腸應(yīng)激綜合征：慢性腸道疾病，主要影響下消化系統(tǒng)，即大腸。

　　炎癥性腸?。?/strong>慢性炎癥性腸道疾病，主要分為克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎。

　　結(jié)腸直腸癌：消化道中常見(jiàn)的惡性腫瘤，三大消化道癌癥之一。

　　乳糖不耐癥：由于缺乏能夠分解乳糖的酶，導(dǎo)致腸道無(wú)法吸收乳糖。

　　乳糜瀉：慢性小腸疾病，麩質(zhì)引發(fā)免疫系統(tǒng)紊亂導(dǎo)致小腸絨毛受損。

　　囊性纖維化：遺傳性外分泌腺疾病，易引起新生兒胎糞性腸梗阻等。

　　闌尾炎：最常見(jiàn)的急腹癥疾病，由闌尾感染引起炎癥和劇烈疼痛。

傳統(tǒng)體外腸道模型的缺陷

　　傳統(tǒng)的體外腸道模型主要分為三類(lèi)：動(dòng)物模型、二維腸道細(xì)胞或永生化細(xì)胞系。由于模型自身的缺陷，導(dǎo)致腸道的體外研究以及腸道疾病的機(jī)制探究無(wú)法進(jìn)一步深入。雖然動(dòng)物模型廣泛應(yīng)用于臨床試驗(yàn)，但是與人體腸道生理特征的差異，導(dǎo)致其無(wú)法完全反映人體腸道疾病的復(fù)雜原因。同時(shí)，也受制于相關(guān)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理?xiàng)l例，由動(dòng)物實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的倫理及動(dòng)物福利問(wèn)題也不容忽視[2]。而二維細(xì)胞模型由于缺乏細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-微環(huán)境之間的作用，無(wú)法有效模擬天然腸道的生理特征，極大地限制了其在疾病模型構(gòu)建領(lǐng)域的應(yīng)用。腸道類(lèi)器官的出現(xiàn)和發(fā)展克服了傳統(tǒng)二維細(xì)胞和動(dòng)物模型的諸多限制，助力腸道病理學(xué)發(fā)展。

腸道類(lèi)器官

　　腸道類(lèi)器官是由來(lái)自腸道的隱窩或單個(gè)干細(xì)胞在體外培養(yǎng)體系中形成的三維組織類(lèi)似物，具有自我更新和分化能力。2009年，Hans Clevers團(tuán)隊(duì)成功地將富含Lgr5+的小腸干細(xì)胞通過(guò)體外培養(yǎng)形成了具有隱窩-絨毛狀上皮區(qū)域的三維細(xì)胞團(tuán)，產(chǎn)生了首個(gè)腸道類(lèi)器官[3]。由此開(kāi)啟了類(lèi)器官構(gòu)建的新紀(jì)元，也促使新型體外腸道模型研究進(jìn)入了快速發(fā)展的新階段。此后，人源小腸、結(jié)腸和腸癌等類(lèi)器官相繼問(wèn)世。

腸道類(lèi)器官的構(gòu)建

　　在體外將離體的腸道干細(xì)胞或隱窩培養(yǎng)成腸道類(lèi)器官，其關(guān)鍵之處在于如何還原腸道干細(xì)胞增殖、分化和遷移所需的微環(huán)境。在天然腸道中，腸道干細(xì)胞的生態(tài)位是由一群不同的腸道細(xì)胞所組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，主要包括潘氏細(xì)胞、腸間質(zhì)細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等[4]。這些細(xì)胞通過(guò)分泌細(xì)胞因子，調(diào)節(jié)腸道上皮穩(wěn)態(tài)，維持腸道干細(xì)胞的適宜生存環(huán)境。例如，間隔分布在腸道干細(xì)胞中的潘式細(xì)胞可以合成并分泌Wnt3、EGF等生長(zhǎng)因子，還可以產(chǎn)生溶菌酶防止有害菌的侵入[5]。此外，細(xì)胞外基質(zhì)為腸道上皮細(xì)胞提供了結(jié)構(gòu)支撐，這種物理性生態(tài)位是由基底膜和固有層組成的。同時(shí)，細(xì)胞外基質(zhì)還承擔(dān)著傳遞生物化學(xué)信號(hào)的責(zé)任。多種信號(hào)通路沿隱窩-絨毛軸呈梯度排列，其中的關(guān)鍵信號(hào)通路包括Wnt、Notch、EGF和BMP信號(hào)通路。不同信號(hào)通路在隱窩-絨毛軸不同區(qū)域的濃度差異決定了各腸道上皮細(xì)胞的位置分布[6-10]。

圖1. 腸道干細(xì)胞生態(tài)位及其分化命運(yùn)（改編自[11]）

　　腸道類(lèi)器官的一般構(gòu)建過(guò)程分為腸道隱窩或干細(xì)胞的分離、原代腸道類(lèi)器官的構(gòu)建、腸道類(lèi)器官的傳代培養(yǎng)三個(gè)主要部分。不同物種、腸道組織來(lái)源的腸道類(lèi)器官構(gòu)建方法主要的區(qū)別在于培養(yǎng)基中細(xì)胞因子的成分差異。（詳情請(qǐng)點(diǎn)擊閱讀原文）

圖2. 腸道類(lèi)器官的構(gòu)建過(guò)程（改編自[12]）

腸道類(lèi)器官的應(yīng)用

　　直接由人體腸道分離的腸道隱窩或干細(xì)胞所衍生的腸道類(lèi)器官，其生理結(jié)構(gòu)、細(xì)胞組成以及遺傳特性能夠最大限度地模擬天然人體腸道組織。而且，不同患者來(lái)源的腸道類(lèi)器官還能保留該患者自身的個(gè)體化組織特征。同時(shí)，腸道類(lèi)器官具有更為良好的可操作性，可以更加精確地揭示腸道疾病機(jī)制。對(duì)于腸道疾病的不同誘導(dǎo)因素，如上皮屏障功能損傷、異常免疫應(yīng)答、微生物群紊亂等，不僅可以進(jìn)行單因素分析，也能夠通過(guò)共培養(yǎng)、多組學(xué)等方式探究其內(nèi)在聯(lián)系。（詳情請(qǐng)點(diǎn)擊閱讀原文）

展望

　　腸道類(lèi)器官技術(shù)為腸道體外研究提供了前所未有的全新見(jiàn)解，為腸道疾病機(jī)制探索提供了一個(gè)全新且可靠的平臺(tái)。盡管如此，腸道類(lèi)器官仍然遇到了限制其發(fā)展的瓶頸。未來(lái)，腸道類(lèi)器官的發(fā)展需要聚焦于以下幾個(gè)方面（包括但不限于）。

　　其一，提升腸道類(lèi)器官共培養(yǎng)體系的復(fù)雜性。目前所開(kāi)發(fā)的腸道類(lèi)器官主要為腸道上皮類(lèi)器官，雖然能夠有效模擬腸道上皮組織的生理結(jié)構(gòu)，但是缺少腸道干細(xì)胞生態(tài)位中的其他組成部分，包括間充質(zhì)細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、免疫細(xì)胞，血管、神經(jīng)組織和腸道菌群等。

　　其二，腸道類(lèi)器官培養(yǎng)方式的開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)的腸道類(lèi)器官培養(yǎng)方法主要是將類(lèi)器官包埋在基質(zhì)膠（Matrigel）中，而基質(zhì)膠自身的生物力學(xué)特性會(huì)限制類(lèi)器官的表型。懸滴培養(yǎng)、2D單層培養(yǎng)、類(lèi)器官反極化等技術(shù)雖然已經(jīng)問(wèn)世，但仍需進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

　　另外，還有其他亟待解決的問(wèn)題：如何加強(qiáng)腸道類(lèi)器官培養(yǎng)過(guò)程中的工程控制，的以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和一致性；如何防止腸道腫瘤類(lèi)器官的異質(zhì)性在長(zhǎng)期培養(yǎng)過(guò)程中丟失；基于器官芯片的類(lèi)器官芯片技術(shù)也是未來(lái)腸道類(lèi)器官發(fā)展的重點(diǎn)方向之一[13]。

　　雖然腸道類(lèi)器官的發(fā)展與運(yùn)用還存在諸多挑戰(zhàn)，但是其研究前景十分廣闊。近年來(lái)，隨著單細(xì)胞測(cè)序、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)、活細(xì)胞成像等新興生物技術(shù)的快速發(fā)展，以及水凝膠等新興生物材料的應(yīng)用，基于腸道類(lèi)器官的相關(guān)研究被推向了更深遠(yuǎn)更廣闊的新維度。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 鄭榮壽, 陳茹, 韓冰峰, 等. 2022年中國(guó)惡性腫瘤流行情況分析. 中華腫瘤雜志, 2024, 46(3): 221-231

　　[2] Park G, Rim Y A, Sohn Y, et al. Replacing animal testing with stem cell-organoids: advantages and limitations. Stem Cell Rev Rep, 2024. DOI:10.1007/s12015-024-10723-5

　　[3] Sato T, Vries R G, Snippert H J, et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature, 2009, 459(7244): 262-265

　　[4] Sailaja B S, He X C, Li L. The regulatory niche of intestinal stem cells. J Physiol, 2016, 594(17): 4827-4836

　　[5] Barreto e Barreto L, Rattes I C, da Costa A V, et al. Paneth cells and their multiple functions. Cell Biol Int, 2022, 46(5): 701-710

　　[6] Fre S, Huyghe M, Mourikis P, et al. Notch signals control the fate of immature progenitor cells in the intestine. Nature, 2005, 435(7044): 964-968

　　[7] Cordero J B, Sansom O J. Wnt signalling and its role in stem cell-driven intestinal regeneration and hyperplasia. Acta Physiol, 2012, 204(1): 137-143

　　[8] 謝文文, 劉振華, 張得香, 等. 表皮生長(zhǎng)因子信號(hào)調(diào)控隱窩-絨毛軸更新和再生的研究進(jìn)展. 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào), 2021, 33(7): 3726-3734

　　[9] Auclair B A, Benoit Y D, Rivard N, et al. Bone morphogenetic protein signaling is essential for terminal differentiation of the intestinal secretory cell lineage. Gastroenterology, 2007, 133(3): 887-896

　　[10] Cameron O, Neves J F, Gentleman E. Listen to your gut: key concepts for bioengineering advanced models of the intestine. Adv Sci: Weinh, 2024, 11(5): e2302165

　　[11] Taelman J, Diaz M, Guiu J. Human intestinal organoids: promise and challenge. Front Cell Dev Biol, 2022, 10: 854740

　　[12] 李精偉, 陳浩, 沙衛(wèi)紅, 等. 結(jié)直腸癌類(lèi)器官的應(yīng)用進(jìn)展與挑戰(zhàn). 科技導(dǎo)報(bào), 2022, 40(12): 28-41

　　[13] 施慧琳, 朱鋒榮, 徐萍, 等. 2023年類(lèi)器官領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì). 生命科學(xué), 2024, 36(1): 48-54

　　作者簡(jiǎn)介

　　強(qiáng)龍征：浙大寧波理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院本科生，研究方向：腸道發(fā)育與免疫。

　　毛海光：浙大寧波理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院助理研究員，研究方向：動(dòng)物分子遺傳學(xué)。

　　王進(jìn)波：浙大寧波理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院教授，研究方向：微生物與粘膜免疫、基因工程藥物。

（作者：強(qiáng)龍征、毛海光、王進(jìn)波）

（本文來(lái)源于公眾號(hào)：生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展）

相關(guān)知識(shí)

【健康】“減肥藥”真有那么“神”？一文帶你揭開(kāi)它的神秘面紗~
“減肥藥”真有那么“神”？一文帶你揭開(kāi)它的神秘面紗~
【科普】“減肥藥”真有那么“神”？一文帶你揭開(kāi)它的神秘面紗~
低脂并非低熱量 揭開(kāi)瘦身食品的神秘面紗
世界腸道健康日｜關(guān)注腸道健康，健康與你“腸”伴
Cell揭秘：藥物與飲食交織下，腸道微生物的健康影響力
你不知道的氣功秘密，揭開(kāi)中華傳統(tǒng)文化的神秘面紗！
大唐辣媽?zhuān)耗c道的隱形塑身教練，健康瘦身新潮流
腸道問(wèn)題是如何影響皮膚健康的？——腸道菌群失調(diào)和腸漏
腸健康才能常健康，這些“腸”識(shí)要知道！

網(wǎng)址: 腸道類(lèi)器官：揭開(kāi)腸道健康的“神秘面紗” http://www.u1s5d6.cn/newsview223539.html