《Nature》“肠子”类器官揭示谷蛋白与细胞死亡之间新联系

斯坦福大学医学院的一项研究中，来自乳糜泻患者的肠细胞球忠实地模拟了这种疾病。实验室培养的类器官揭示了谷蛋白和细胞死亡之间的新联系。

　　

根据斯坦福大学医学院研究人员的一项研究，从乳糜泻患者的肠道组织中提取的实验室培养的小细胞球揭示了麸质暴露和肠道损伤之间以前未知的分子联系。

这种名为IL-7的分子与其他自身免疫性疾病有关，包括类风湿性关节炎和多发性硬化症，但从未与乳糜泻联系起来。

这项研究首次描述了在实验室培养皿中使用被称为类器官的细胞团来研究自身免疫性疾病。与之前在实验室中建立乳糜泻模型的尝试不同，研究人员培养的肠道类器官包括多种细胞类型，包括免疫细胞和构成肠道内膜的细胞。

类器官打开了一扇大门，让人们了解不同类型的细胞如何在患有这种疾病的人身上相互作用，这种疾病的特点是对麸质急性敏感，这在以前是不可能的。例如，研究人员发现，患有活动性乳糜泻的人的组织中IL-7的水平升高，阻断其活性可以消除对损害肠壁的麸质的免疫反应。

“这些类器官准确再现了乳糜泻患者的情况，”Calvin Kuo教授说。“如果我们将麸质添加到乳糜泻患者肠道活检制成的类器官中，我们会看到免疫激活和杀死上皮组织，就像在患者身上发生的那样。但现在我们可以探测培养皿中发生了什么——了解疾病，开发新药，甚至可能预测哪种药物对个人最有效。这在以前是不可能的。”

Calvin Kuo是该研究的通讯作者，该研究将于7月24日发表在《Nature》杂志上。博士后学者António Santos博士是这项工作的主要作者。

在这项研究之前，直接研究乳糜泻的方法很少:一种是使用在活检后一两天内就会死亡的完整肠道组织，或者研究来自患者的肠上皮细胞筏，这些细胞不包含许多其他类型的细胞，包括介导疾病的免疫细胞。实验动物(如老鼠)的腹腔疾病模型并不能完全反映人类疾病的各个方面。

经过多年的试验，Santos发现了一种方法，通过将活检后的肠道组织悬浮在气液界面之间，使其在实验室中保持活力。在表面上轻轻摆动可以让包括上皮细胞、免疫细胞和其他细胞在内的许多细胞类型聚集在一起，形成直径约四分之一英寸的小球，并在实验室中生长数周或数月。

Santos说:“这确实改变了乳糜泻研究的游戏规则。“这是一种人类类器官，包含小肠的所有细胞，并在实验室培养皿中茁壮成长。唯一接近它的方法就是直接在人身上做实验。”

全世界大约有1%的人患有乳糜泻，这是一种自身免疫性疾病，患者接触面筋(小麦、大麦和黑麦中发现的一种蛋白质)会触发免疫系统攻击并破坏小肠粘膜。常见的症状包括腹胀、慢性腹泻、便秘、恶心和放屁，但这种疾病也可能没有肠道症状，这使得诊断和监测变得棘手。目前唯一有效的治疗方法是终生严格无麸质饮食。

“乳糜泻是一种变色龙，”医学教授Nielsen Fernandez-Becker博士说。Nielsen Fernandez-Becker是斯坦福医疗保健中心乳糜泻项目的负责人。“有很多事情我们不知道。特别是，虽然我们很擅长诊断疾病，但我们没有很好的方法来监测人们。活组织检查是侵入性的，并不总是有用的。通常来找我们的人已经在进行无麸质饮食，这使得诊断变得困难，可能意味着我们必须让他们吃麸质来弄清楚他们是否真的患有乳糜泻。”

在获得知情同意后，Nielsen Fernandez-Becker收集并分享了81名乳糜泻患者和54名非乳糜泻患者的肠道组织活检。在81名乳糜泻患者中，59人正在积极出现症状，而其余22人在坚持无麸质饮食后成功缓解。

Santos随后将活检组织制成的类器官暴露于一种已知会引发这种疾病的麸质成分中。那些由乳糜泻患者肠道组织制成的细胞反应显著。构成肠道内膜的上皮细胞增加了与这种疾病相关的一种名为IL-15的分子的产生，专门识别谷蛋白的免疫细胞CD4 T细胞的数量开始增加，其他免疫细胞b细胞则大量产生针对2型谷氨酰胺转酶(TG2)蛋白质的抗体。

TG2通常不会诱导免疫反应，而这些自身抗体的存在是乳糜泻的一个关键标志，通常用于诊断该疾病。最后，被称为CD8 T细胞的免疫细胞开始攻击并杀死上皮细胞——很可能是在CD4细胞的命令下。

“来自乳糜泻患者的类器官显然以健康人群的类器官没有的方式做出反应，”Santos说。“我们能够看到这种疾病的许多关键特征，从上皮细胞死亡到免疫激活和构成绒毛或肠内膜突起的其他细胞的消耗。”

先前对乳糜泻的研究涉及两种称为细胞因子的信号分子。这些分子- IL-2和IL-15 -介导CD4(识别谷蛋白的免疫细胞)和CD8(杀死其他细胞的免疫细胞)T细胞相互沟通的信号。但在临床试验中，阻断IL-2或IL-15的活性并没有阻止麸质引起的肠道损伤，尽管人们仍在继续尝试。

Kuo和Santos转而研究了同一细胞因子家族的另一个成员——IL-7。他们发现，阻断乳糜泻类器官中IL-7的活性也能阻止谷蛋白对上皮细胞的破坏。相反，即使在不含谷蛋白的情况下，添加IL-7也会强烈诱导乳糜泻患者的类器官上皮细胞死亡，而来自健康对照组的类器官则不受影响。

最后，研究人员表明，当麸质被添加到乳糜泻类器官中时，IL-7的表达不仅增加，而且在活动性乳糜泻患者的活检中，IL-7水平也有所升高，而在那些因无麸质饮食而疾病缓解的患者中，IL-7水平则没有升高。

“这些结果表明，IL-7是一种以前未被认识到的乳糜泻调节剂，”Calvin Kuo说。“虽然还需要做更多的研究，但我们相信类器官忠实地反映了乳糜泻患者的情况，并且可能有阻断IL-7活性的治疗机会。”

Fernandez-Becker说:“如果没有患者同意提供活检样本，这一切都不可能完成。他们知道可能对自己没有好处，却无私地这样做了。我们非常感谢他们。”

“我们研究类器官已经近二十年了，”Calvin Kuo说。“我们已经用它们来模拟癌症和传染病。现在我们有了复杂的免疫细胞系统，我们相信这项研究只是利用类器官研究许多自身免疫性疾病的冰山一角。”