干细胞3D培养是近年来新兴的培养技术，因其来源较广且不涉及伦理问题而逐渐成为研究热点。肠道组织的三维培养可以成功模拟肠道的复杂结构和功能，为肠道的发育和疾病研究提供了新的平台。本文介绍了通过三维培养构建肠道类器官的研究进展，以及这种“迷你肠”在肠道疾病治疗中的大用途。肠道是消化器官中最长管道。一旦肠道出现问题就会引发消化吸收障碍，如：肠梗阻、痢疾、慢性炎症性肠病（IBD）、肠结核、结直肠癌（CRC）等，其中结直肠癌因每年有近70万人的死亡人数成为当前世界上病死率第4的恶性肿瘤。因此对于肠道结构及肠道疾病致病机理的研究很有必要。肠道各部分因其独特的组织结构和生理功能，很难在体外模拟肠道结构、功能和发病过程，而肠道类器官的出现为这一问题的解决提供了一个全新的途径。年Clevers研究团队的Sato等人首次培养出了3D肠道类器官（如图1）。离体的肠道干细胞或隐窝在基质胶以及多种生长因子中培养可不断增殖，并且能够分化出潘氏细胞，杯状细胞、肠内分泌细胞等各种成熟细胞，自我组建形成具有多个隐窝的空腔样结构（如图2）。肠道类器官的特点在于保留了肠道干细胞的自我更新及分化能力。图1随时间的延长而逐渐生长的类器官ToshiroS.etal.,Nature,图2隐窝类器官示意图，由绒毛状上皮排列形成的中央管腔以及周围隐窝状结构构成ToshiroS.etal.,Nature,除了上述肠类器官以外，Wang等人在年创建了成体干细胞体外培养和气液界面三维分化技术，在体外更好地模拟和构建了肠道上皮的三维结构（如图3）。利用这一技术，培养出的干细胞系在体外能长期保持良好的自我更新状态，并能分化成肠道上皮的各种细胞类型。干细胞进行气液界面培养分化后，可以自发形成由各种类型肠上皮细胞组成的三维立体的肠上皮组织，该上皮组织具有完善的上皮屏障结构和功能，并可用于构建疾病模型。该技术可以从单个干细胞扩增培养成为大规模的干细胞系，适用于所有柱状上皮组织的成体干细胞的体外培养和分化，包括胃、小肠、结直肠、肝管、胰腺导管等组织器官。图3肠道上皮干细胞在气液界面体系中分化而成的三维上皮组织结构WangX.etal.,Nature,肠道三维培养体系的成功建立具有重大的科学意义。为肠道疾病的研究提供了有利的技术保障：构建疾病模型年Wang等利用肠干细胞气液界面分化技术，模拟了艰难梭菌感染肠道而导致的假膜性结肠炎，从病理组织学变化、基因表达、肠上皮屏障功能障碍等方面深入解析该疾病的发生过程和致病机理，为开发新型药物和治疗方案提供重要的理论依据。疾病防控年，Yamamoto等利用成体干细胞体外培养和三维分化技术首次成功在体外培养了病人直接来源的巴瑞特食道干细胞。与同一病人来源的胃干细胞或食道干细胞相比，巴瑞特食道干细胞具有特异的基因表达谱，并只能分化为肠化生组织的各种细胞类型，转化后在小鼠体内能形成类似于人食道腺癌的肿瘤。对巴瑞特食道干细胞进行了基因组稳定性检测，表明不同病人演变为癌症的风险、进展程度不同。此项研究表明巴瑞特干细胞在肿瘤发展中的重要性，可以将其作为靶点进行预防和阻断食道腺癌的发生。肠道修复再生肠道上皮常因各种疾病以及药物损伤而失去完整结构。通常情况下，受损的肠道上皮并无有效的治疗方法，只能自然恢复。而肠道类器官的出现让受损的肠道看到了曙光。年Yui等人通过小鼠实验证实了类器官可以准确达到损伤上皮细胞，并达到修复目的。若这项实验能够应用到人体内，对于肠道修复再生具有重要意义。基因缺陷疾病治疗肠道类器官的出现对于基因缺陷病如囊纤维化、微绒毛包涵体病以及多发性肠闭锁病等具有重要意义。提取患者肠道干细胞发育成类器官，该类器官与患者类器官具有同样的功能障碍，且基因表达一致，因此，可用于药物筛选、耐药性测试等。相较于传统方法省时省力且无伦理问题。Clevers团队研究证实，通过基因改造患者肠道干细胞发育的类器官具有正常类器官的形态功能。该研究发现为基因治疗提供了一个新思路。个性化疾病治疗通过3D培养形成的类器官保留了组织特性。Wetering等通过培养结直肠癌患者的类器官发现，该类器官保留了原始肿瘤的特性，且与CRC突变吻合，基因表达一致。正是因为这些优势，肿瘤类器官可用于高通量药物筛选。通过培养某一特定病人的肿瘤类器官进行药物筛选，同时可以进行耐药性研究，找到该患者最适药物，针对该病人进行精准治疗。图4肠道类器官培养技术与应用AndrewJ.etal.,CurrPathobiolRep,在各种病理条件下的肠干细胞发生的病变或损伤，会导致组织器官的再生异常、伤口愈合及修复质量下降、生理功能缺陷、疾病复发和肿瘤发生等不良结果。因此，对于病人自身疾病中干细胞的研究是最为基础和关键的生物学问题，将对发病机理提供重要的理论依据，可促进组织自身的损伤修复和再生能力，有利于研发新的治疗方案，填补再生医学领域在疾病特异性成体干细胞方向的不足。通过类器官模拟肠道结构与功能能够加深对肠道疾病的理解和认识，极大的推动了对肠道疾病发生发展的研究，为肠道疾病治疗提供了一个新途径。利用病人直接来源的干细胞系替代传统的细胞系，用于检测药物敏感性以及高通量药物筛选，为靶向治疗提供重要的研究基础和平台，并为今后实现病人个性化、精准医疗打下基础和提供珍贵的生物样本库。总之，肠道类器官的出现为肠道疾病的治疗提供了新方向。随着对类器官研究的不断深入，我们有理由相信“迷你肠”会发挥大作用！还想知道更多关于类器官的知识吗？欢迎扫码观看5月13日“类器官技术临床应用探讨”会议直播！南方精准中心建有平方米符合GMP要求的检测与制备车间，配有新型检测仪器及全套质量控制标准，开展二代基因靶向测序、精准免疫治疗技术，提供疾病筛查、恶性肿瘤和免疫相关疾病的个体化诊疗，同时开展多项细胞临床研究。医院临床团队提供一个开放、多元化的技术平台，支持各学科的科研、转化医学及新技术新业务，提升精准医学应用服务水平。文章来源
中科院再生医学作者
张晶编辑
陈婵娟审核
张*一