在体外模拟小肠组织的多层构建
微小肠系统的多层组织构建再现间质流动
研究背景
近年来，人体小肠的体外模型构建取得了显著进展，然而，完全复制其复杂的结构和功能特征仍具挑战。微小肠组织模型的目标是创建能够在药物代谢、感染性疾病研究中应用的组织系统，而传统方法未能实现小肠结构的分层与成熟化。研究团队推测，在胚胎发生期间由血浆循环驱动的间质流动可能是形成这些复杂结构的关键因素。为了更好地模拟这一过程，Deguchi Sayaka教授等人利用人类多能干细胞（pluripotent stem cells，PSCs），通过在微流体装置中复制间质流动，构建出类似人类胎儿小肠的多层组织。
研究来源
该研究由京都大学CiRA（诱导多能干细胞应用中心）Deguchi Sayaka教授与Takayama Kazuo教授共同主导，作者团队包括京都大学、立命馆大学、日本医疗研究开发署等多家单位的研究人员，成果发表在《Cell Stem Cell》期刊的2024年9月5日刊物中。
研究流程
研究设计与方法
本研究以PSCs为研究对象，利用微流体技术并在特定条件下诱导PSCs分化为小肠上皮和非上皮细胞。主要流程如下：
- PSCs分化：首先，在多孔微流体装置顶部注入分化后的PSCs，并进行一系列因子（如Activin A、FGF2等）的处理，促使其分化为小肠上皮和非上皮细胞。
- 间质流动的模拟：利用微流体装置的底部通道以特定低速率缓慢流动培养液，模拟血浆循环驱动的间质流动。数值模拟表明，该流动速度极低，近似无剪切流动特性，能有效促进小肠组织的自组织形成。
- 组织构建：在第5至24天期间，维持底部通道的培养液流动，期间上皮细胞逐渐形成类似小肠绒毛的三维结构，基底一侧出现间充质层对齐，逐步构建出多层组织。
新型实验设备
本研究团队设计了一种新型的微流体装置。该装置由两层通道组成，通过多孔聚对苯二甲酸乙二酯膜分隔，使上层细胞培养环境与下层间质流动隔离，模拟体内间质流动环境。此外，团队通过数值模拟优化了底部通道的流速，以实现近似无剪切的流动，从而有效促进PSCs的组织自组装过程。
研究结果
多层小肠组织的生成
通过实验分析，研究团队成功生成了类似于人类胎儿小肠的组织结构，包括上皮细胞的分层结构和位于基底侧的间充质层。具体而言：
- 上皮细胞的极性和分层：在流动条件下，生成的上皮细胞获得了细胞极性，且形成了包含小肠特有的绒毛状结构；Goblet细胞和Paneth细胞等细胞类型均有表现。
- 间充质层的对齐：与静态条件相比，流动条件下的间充质细胞在基底侧形成对齐结构，同时通过免疫染色和质谱分析验证了间充质层的成熟度。
- 多种细胞类型的分布：通过单细胞RNA测序分析，研究团队进一步确认了生成的小肠组织中包含了多种细胞类型，如平滑肌细胞、成纤维细胞等，其组成比例与胎儿小肠组织相似。
实验数据支持
- 基因与蛋白表达分析：qPCR和蛋白质组学分析显示，在间质流动环境下，组织中小肠特定标志物的表达量显著提高；包括Villin、Sucrase-Isomaltase等小肠上皮标志物。
- 透过率测试：对于药物吸收和病毒感染的应用，研究团队使用FITC标记的葡聚糖检测了组织的透过率，结果表明间质流动环境下的组织具备更高的屏障功能。
- 药物代谢酶活性：在流动条件下，组织中的细胞表现出更高的药物代谢酶（如CYP、UGT、SULT等）活性，进一步证明该模型在药物代谢研究中的潜力。
病毒感染模型应用
研究团队测试了该模型对人类冠状病毒-229E的感染反应。实验表明，病毒从顶端感染的效率显著高于基底端感染；而流动条件下，细胞表现出更高的ANPEP（冠状病毒受体）表达，且主要集中在上皮表面的顶端，这一发现表明该模型更贴近人体小肠的病毒感染机制。
研究结论与价值
该微小肠系统不仅成功再现了多层小肠组织的三维结构，还实现了上皮极性和功能性成熟，是一种功能强大的人体小肠模型。在药物代谢和感染性疾病研究中具有广泛应用前景，可用于研究小肠屏障功能、药物吸收与代谢以及肠道感染的分子机制。此外，该模型的结构和细胞组成与胎儿小肠组织相似，为进一步探索小肠发育过程提供了重要工具。
研究亮点
- 创新的微流体装置：通过模拟间质流动促进小肠组织的成熟化和多层结构构建，是现有肠道模型所无法实现的。
- 多层组织结构：该系统成功再现了小肠的多层结构，为体外小肠组织模型提供了新标准。
- 应用潜力广泛：适用于药物代谢研究、肠道感染研究等，有助于替代动物模型进行人类肠道疾病研究。
总结与展望
Deguchi教授团队开发的微小肠系统成功再现了人类小肠的多层结构，为药物代谢和感染研究开辟了新途径。未来，研究团队计划进一步优化该系统，以更长的培养周期和不同的流动条件提升小肠组织的成熟度，使其在小肠发育研究和人类疾病模型中发挥更大作用。