创新肠道类器官技术：开启顶端表面研究新征程，助力胃肠健康探索

为解决 3D 肠道类器官技术在研究宿主 - 微生物相互作用、模拟慢性胃肠道疾病等方面的局限，研究人员开展了以创新肠道类器官技术为主题的研究。结果开发出 Transwell 培养和 “芯片上的肠道” 等技术，这对基础研究和临床应用意义重大。

　　

在生命科学和医学研究领域，肠道类器官技术一直是热门话题。肠道，作为人体消化系统的重要组成部分，承担着消化食物、吸收营养和抵御病原体等关键任务。然而，传统的肠道研究模型存在诸多不足。自三维（3D）“迷你肠道” 培养系统问世以来，成人干细胞来源的类器官技术虽取得了显著进展，能在体外模拟多个器官的关键细胞、分子和生理特性，为研究胃肠道发育和疾病提供了有力工具，但它也并非完美无缺。

3D 肠道类器官的囊性封闭结构，导致肠道上皮细胞快速更新产生的死细胞在狭小封闭的管腔中堆积，这就需要每周左右进行一次解离和传代操作，以维持类器官系的活力。这使得它难以持续模拟像炎症性肠病（IBD）中上皮细胞反复损伤和修复的长期生物或病理过程。而且，肠道上皮自然会接触到数万亿的共生微生物和偶尔的病原体，这些对宿主生理有着重要影响。但 3D 类器官难以有效引入和研究这些微生物，因为其管腔空间难以接近，虽然有向单个类器官管腔显微注射细菌的方法，但操作繁琐，需要特定设备和专业训练。此外，3D 类器官缺乏间充质细胞成分和机械信号，如蠕动和管腔液流，而这些对器官发育和功能至关重要。

为了突破这些困境，来自未知研究机构的研究人员踏上了探索创新肠道类器官技术的征程。他们的研究成果发表在《European Journal of Cell Biology》上，为该领域带来了新的曙光。

研究人员主要采用了两种关键技术方法：一是 Transwell 培养技术，利用 Transwell 系统构建不同的培养模型；二是微流控芯片技术，开发 “芯片上的肠道（gut-on-a-chip）” 平台和支架引导的 “迷你肠道（mini-gut）” 系统。

1. Transwell 培养技术

• 基于 Transwell 的单层培养：研究人员以小鼠结肠或人类回肠和直肠活检来源的高增殖性 3D 肠道球体为细胞来源，开发了基于 Transwell 的系统。在特定条件下培养，可形成包含多种细胞类型的单层培养物，能用于研究屏障功能和宿主 - 病原体相互作用，但存在细胞寿命短、细胞形态异常等问题。

• 长期 Transwell 气液界面（ALI）培养：受前人研究启发，研究人员开发了小鼠结肠上皮的长期 ALI 培养模型。该模型在气液界面培养一段时间后，可形成类似体内的柱状上皮，包含多种终末分化细胞，能维持至少 6 周的稳态。而且，通过对该模型进行操作，如重新浸没、缺氧或内质网（ER）应激诱导，可模拟上皮损伤和修复过程，这对研究 IBD 等慢性胃肠道疾病意义重大。此外，该模型还可用于研究肠道寄生虫感染，如隐孢子虫（Cryptosporidium），能支持其完整生命周期的培养，为研究寄生虫感染机制和开发治疗方法提供了新途径。不过，该模型也存在缺乏隐窝 - 绒毛结构、无法支持专性厌氧菌生长、未考虑机械因素等局限性。

2. 微流控芯片技术

• 二维 “芯片上的肠道” 模型：最初的 “芯片上的肠道” 模型以 Caco-2 细胞为基础，用于评估药物和营养物质的吸收等药代动力学特性，不同研究通过设计不同的芯片结构和检测方法来实现这一目的。

• 具有蠕动样机械刺激的 “芯片上的肠道” 模型：为了更好地模拟小肠的微结构，研究人员改进了设计，通过施加循环吸力等方式模拟蠕动。以 Caco-2 细胞或人类十二指肠类器官细胞为来源，在该模型中培养可形成类似绒毛的结构，并且研究发现机械信号对维持上皮稳态至关重要，同时该模型还能研究上皮细胞与微生物、免疫细胞的相互作用。

• 微生物群共培养的 “芯片上的肠道” 模型：为了实现肠道微生物群与肠道上皮细胞的共培养，研究人员对芯片设计进行了改进，创造了适合厌氧菌和需氧菌生长的环境。多个研究成功实现了不同微生物与上皮细胞的共培养，这有助于研究宿主 - 微生物相互作用。

• 支架引导的 “迷你肠道” 系统：研究人员利用预定义的 3D 水凝胶支架引导肠道上皮细胞形成隐窝 - 绒毛结构，以小鼠或人类 3D 肠道类器官细胞为来源进行培养。该系统能模拟体内细胞分布模式，具有再生潜力，还能支持隐孢子虫的长期培养。但该系统也存在上皮组织异常、芯片容纳细胞数量有限、微生物培养能力不足、芯片制作复杂等问题。

研究人员通过一系列研究，成功开发出多种创新的肠道类器官技术，这些技术在一定程度上解决了传统 3D 肠道类器官技术的局限性。它们为研究肠道生物学和疾病提供了更强大的工具，有助于深入了解胃肠道发育、疾病发生机制，推动基础研究的发展。在临床应用方面，这些技术有望用于药物筛选、个性化治疗方案的制定和再生医学研究，为改善人类健康带来新的希望。然而，目前这些技术仍存在一些不足，需要进一步优化和改进，以实现更广泛的应用和更高的研究价值。