案例分享：腸道疾病研究中新型工具——腸道類器官技術(shù)
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| 自2009年Hans Clevers團隊首次利用小鼠LGR5+小腸干細胞在體外培養(yǎng)出小腸類器官以來，腸道類器官模型被廣泛應(yīng)用于腸道相關(guān)疾病研究領(lǐng)域。與傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ?細胞系2D培養(yǎng)及動物模型)相比，腸道類器官具有多種優(yōu)勢。體外構(gòu)建的腸道類器官模型包含所有類型的腸上皮細胞，并具有水、離子吸收和轉(zhuǎn)運等生理功能，這些優(yōu)勢是單一細胞系所無法比擬的。此外，動物模型與人類存在較大的種屬差異，無法完全模擬人體腸道的真實生理反應(yīng)，而來源于人體組織的腸道類器官能夠更加準確的反應(yīng)人體的生理及病理變化。 本文篩選了幾篇利用腸道類器官技術(shù)來研究腸道疾病的文章，供您參考，以便為您的研究帶來一些啟示。 |
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1.腸衰竭治療 英國弗朗西斯·克里克研究所Vivian S. W. Li和倫敦大學(xué)Paolo De Coppi團隊合作發(fā)現(xiàn)，利用兒科腸道衰竭患者類器官可設(shè)計構(gòu)建自體空腔粘膜移植物，這一突破性研究成果于2020年9月7日（標明年份），在Nature Medcine雜志上發(fā)表，題為《Engineering transplantable jejunal mucosal grafts using patient-derived organoids from children with intestinal failure》。研究者將完整的納米形貌的脫細胞人腸基質(zhì)作為生物支架。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工程的平臺。而后，研究者將體外擴增的空腸類器官植到任一類型的支架上都可以有效地重建具有消化和吸收等生理功能的空腔移植物，該移植物移植到小鼠腎囊或皮下可存活并形成管腔結(jié)構(gòu)。該研究為腸衰竭兒童使用工程化改造的患者特異性空腸移植提供了概念驗證數(shù)據(jù)，推動了患兒腸衰竭治療的臨床試驗進程。
 來自兩個病人的(SI和Colon)脫細胞結(jié)腸支架生物分子特征(黃色箭頭指示腸隱窩結(jié)構(gòu)；紅色箭絨毛結(jié)構(gòu))
 組織切片顯示移植物中存在腸上皮形成的腸腔結(jié)構(gòu)
2020年9月瑞士洛桑理工學(xué)院的Matthias P. Lutolf團隊在Nature雜志上發(fā)表題為《Homeostatic mini-intestines through scaffold-guided organoid morphogenesis》的文章，開創(chuàng)性地提出 了“芯片上的類器官”這一概念，研究人員將小腸干細胞與腸形水凝膠支架結(jié)合，誘導(dǎo)這些細胞形成具有小腸絨毛結(jié)構(gòu)和隱窩結(jié)構(gòu)的功能性腸上皮細胞類器官(迷你小腸)。迷你小腸與外部抽水系統(tǒng)連接時，可進行灌洗，以去除內(nèi)部死細胞。與傳統(tǒng)類器官相比，迷你小腸能夠?qū)崿F(xiàn)更多與生理相似的結(jié)構(gòu)、體積和功能。研究人員利用該模型明確了迷你腸的再生能力及作為寄生蟲感染模型的潛力。
 培養(yǎng)第10天，灌注9h以去除官腔內(nèi)部積累的死細胞
 靶向激光小腸損傷的傷口愈合
3.SARS-CoV-2病毒研究
2020年7月3日類器官研究的開創(chuàng)者Hans Clevers及其團隊在Science雜志上發(fā)表了一篇題為《SARS-CoV-2 productively infects human gut enterocytes》的文章，該研究發(fā)現(xiàn)在小腸類器官中新冠病毒很容易感染腸上皮細胞，且感染后的腸上皮細胞的病毒應(yīng)答基因顯著上調(diào)。該研究為腸上皮細胞支持SARS-CoV-2的復(fù)制提供了證據(jù)，提示人腸道類器官可作為病毒感染和生物學(xué)研究的實驗?zāi)Ｐ汀?/div>
四種不同培養(yǎng)狀態(tài)下小腸類器官，感染SARS-CoV和SARS-CoV-2后均可以檢測到較高滴度的病毒水平，表明這兩種病毒均可以感染小腸類器官。隨后研究者通過共聚焦和電子顯微鏡確定了SARS-CoV-2可感染的細胞類型是腸上皮細胞譜系以及病毒感染的過程和生活周期。最后研究者通過mRNA序列分析確定了SARS-CoV-2感染引起的基因表達變化，即I型和III型干擾素通路的細胞因子和干擾素刺激基因(ISG)被強烈誘導(dǎo)上調(diào)。
 病毒入侵腸上皮細胞(白色為病毒RNA)
 SARS-CoV-2感染引起基因表達變化
4.微生物代謝物篩選
2020 年 7 月 29 日，以色列希伯來大學(xué)的 Yinon Ben-Neriah 團隊在 Nature 上發(fā)表了題為《The gut microbiome switches mutant p53 from tumour-suppressive to oncogenic》 的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群可將突變型p53基因從促癌基因轉(zhuǎn)變?yōu)橐职┗颉?br />
 腸道腫瘤類器官在沒食子酸連續(xù)處理9天或先在沒食子酸處理5天后移除沒食子酸的免疫熒光圖 5.體外Wnt信號調(diào)控機制研究 2020年1月 Madelon M Maurice團隊在Trends Cell Biol雜志上發(fā)表了一篇題為《Wnt Signaling in 3D: Recent Advances in the Applications of Intestinal Organoids》的綜述，該文章總結(jié)了Wnt信號通路在腸道類器官中的最近研究進展。研究人員回顧了如何使用成體干細胞和患者衍生的類器官來研究Wnt/b-catenin信號通路及其在組織穩(wěn)態(tài)和癌癥中的調(diào)控。 在靜息態(tài)細胞中轉(zhuǎn)錄輔激活因子b-catenin，被“破壞復(fù)合體”(APC、AXIN, GSK3, CK1) 隔離，通過wnt介導(dǎo)的FZD及其協(xié)同受體LRP5/6的激活，破壞復(fù)合物的關(guān)鍵組分被招募至質(zhì)膜使得b-catenin在細胞質(zhì)中積累并轉(zhuǎn)運到核中。隨后，核b-catenin與TCF/LEF家族的轉(zhuǎn)錄因子關(guān)聯(lián)，驅(qū)動Wnt靶基因的表達，此為正反饋調(diào)控。Wnt信號可被膜結(jié)合的能夠促進FZD受體泛素依賴性內(nèi)吞和溶酶體降解的E3連接酶RNF43和ZNRF3所平衡，此為負反饋調(diào)控。RNF43和ZNRF3的活性又會被Rspo平衡，Rspo是一種由干細胞龕分泌的wnt增強因子。正負反饋調(diào)控及Rspo共同維持組織穩(wěn)定的狀態(tài)。突變誘導(dǎo)的Wnt / b-catenin信號激活和Wnt靶基因表達的失調(diào)與癌癥的發(fā)生息息相關(guān)。“破壞復(fù)合體”核心成分APC，axin和b-catenin突變引起的下游Wnt信號途徑的激活，及RNF43 /LGR5 / Rspo軸被認為是主要的癌癥驅(qū)動因素。除Wnt信號通路調(diào)控外，研究者還討論了小鼠和人的腸道類器官Wnt相關(guān)基因型和表型關(guān)系的異同，以及在應(yīng)用這些類器官進行疾病建模時存在的缺陷及未來潛在研究方向。
 Wnt/b-Catenin信號通路圖
6.模擬飲食-微生物-宿主互做
2020年3月，意大利特倫托大學(xué)細胞生物學(xué)中心的 Andrea Lunardi團隊在Trends Endocrinol Metab雜志上發(fā)表了題為《Intestinal Organoids: A Tool for Modelling Diet–Microbiome–Host Interactions》的綜述，主要內(nèi)容包含四大部分1) 飲食、微生物菌群和腸道微生物代謝物介紹；2) 腸道類器官培養(yǎng)揭示了植物化學(xué)物質(zhì)在組織穩(wěn)態(tài)和疾病中的作用；3) 探討了腸道上皮微生物對腸道結(jié)構(gòu)和功能的影響；4) 評估了腸道類器官對微生物和微生物代謝物相互作用的響應(yīng)策略：從整體組織到單細胞。腸道類器官具有足夠的復(fù)雜性來模擬生理以及病理的飲食-微生物-宿主條件，有助于闡明其相互作用的機制，并將為理解和治療胃腸道疾病打開新的可能性。  腸道微生物代謝物（GMMs）與腸道微生物和飲食聯(lián)系圖
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