Nature Reviews GH | 用于疾病模型和个性化医疗的肠道器官芯片
本文来源：盛合瑞生物、类器官学社
肠道结构、力学和生理的改变是急性和慢性肠道疾病的基础，其中许多疾病受到微生物组、蠕动、基质或免疫反应失调的影响。在临床前动物模型中研究人类肠道生理或病理生理是困难的，因为它们的微生物群和免疫系统与人类不同。尽管类器官培养的进步在一定程度上克服了这一挑战，但肠道类器官仍然缺乏研究肠道健康和疾病核心功能所必需的关键特征，如消化或液体流动，以及活微生物群、蠕动和免疫细胞的长期影响。该研究回顾了器官芯片（Organ-on-a-Chip）微流体培养人体肠道模型的进展，该模型由覆盖上皮细胞并与其他组织(如基质或内皮)相连接，可以经历流体流动和蠕动样运动。器官芯片为不同人群和个体患者的肠道生理和疾病状态建模提供了强有力的方法，并可用于获得关于疾病的潜在分子和生物物理机制的新见解。它们还可以用作发现新药的临床前工具，然后在相同的人体相关模型中验证其治疗效果和安全性。
文章介绍
题目：Intestinal organ chips for disease modelling and personalized medicine
杂志：nature reviews gastroenterology & hepatology
影响因子：IF=45.9
发表时间：2024年8月
#1
研究背景
Background
肠道生理学和病理生理学的研究，以及肠道疾病治疗方法的临床前开发，目前涉及在经过基因工程或化学治疗的动物身上进行试验，以模拟人类患者的并发症。然而，由于物种在解剖学、生理学、微生物组和免疫反应方面的特异性差异，它们的翻译潜力的准确性仍然值得怀疑。因此，当药物转移到人体临床试验时，在动物身上获得的药物疗效预测往往不成立。因此，迫切需要新的与人类相关的临床前肠道模型来克服这些挑战。
成人肠上皮干细胞或诱导多能干细胞(iPSCs)在三维细胞外基质(ECM)中培养时再现细胞和组织分化，从而形成肠道类器官，为体外模拟患者特异性肠道反应开辟了一条新的途径。然而，目前，大多数肠道类器官培养缺乏发育良好的邻近组织(如可灌注的脉管系统、富含胶原的基质、各种类型的免疫细胞)以及微环境物理线索(例如，管腔和间质液流动、蠕动)。这些限制都可以通过将类器官与人体器官芯片(器官芯片)微流体培养技术相结合来克服。该综述描述了使用器官芯片来模拟人体肠道不同区域的进展，讨论了它们的优点和局限性，并探讨了它们如何在未来用于推进胃肠病学和患者护理。
#2
研究关键点
Methods
1、动物模型不能准确再现人类肠道疾病，迫切需要建立人类肠道生理和疾病状态模型，用于基础研究和药物开发应用；
2、器官芯片是一种微型装置，它包含由活细胞和组织排列的中空通道，可以重建组织-组织界面，动态流体流动、化学和氧气梯度，以及活体器官中的机械线索；
3、由肠道特异性细胞组成的器官芯片概括了人类肠道发育、生理和疾病状态，对生理蠕动式机械运动敏感；
4、构建的小肠和大肠器官芯片可以复制特定区域的结构和功能；
5、肠道器官芯片具有动态流体流动和支持缺氧梯度的特性，可用于人类肠道细胞与活的复杂微生物群的延长共培养，以研究宿主-微生物群的体外相互作用；
6、肠道器官芯片为深入了解人体肠道生理和疾病机制，以及药物作用和毒性机制以及新型候选药物的鉴定提供了新的途径。
#3
关键研究结果
Results
1、人体肠道健康与疾病
由于肠道的不同区域进行吸收、消化、代谢和排泄(ADME)，在不同的疾病中受到不同的影响，因此在体外复制健康和患病状态下不同肠道区域的结构和功能非常重要(图1)。炎症引起的肠炎往往是许多肠道疾病的关键组成部分，炎症性肠病(IBD)是最常见的例子。IBD包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，这两种疾病都是以炎症和损害肠道功能的结构变化为特征的慢性疾病。其他疾病，包括肠易激综合征(IBS)，表现出与IBD相似的症状，但不那么严重，表达也不同。肠道自身免疫性疾病也可能发生，比如乳糜泻，它与胃肠道粘膜炎症、绒毛变钝和吸收不良有关。肠道的高周转率使其对急性辐射综合征特别敏感。在放射性肠炎、克罗恩病、乳糖不耐症、环境性肠功能障碍(EED)或贫血患者中也观察到吸收不良。EED的特点是生长发育迟缓、营养干预失败、口服疫苗免疫反应降低、生态失调和神经发育障碍。结直肠癌(CRC)是最常见的肠道癌症，其转移到其他器官的风险很高，主要归因于年龄、环境和行为因素。值得注意的是，由于慢性微生物改变、过度的炎症细胞因子产生和促炎途径的激活，IBD患者发生结直肠癌的风险增加，因此，重建健康和疾病中的人类肠道ADME模型的发展对于提高我们对肠道病理生理学的理解以及开发新的诊断和治疗方法至关重要。
图1 肠道炎症的特征
2、人体肠道静态体外模型
大多数人肠道的体外模型使用的是在静态条件下在刚性板中培养的已建立的细胞系，这无法复制体内观察到的复杂肠道结构和功能。一个进步是使用transwell培养插入物，其中肠上皮生长在与下部介质填充通道分离的多孔膜上(图2a)。这些模型形成上皮屏障，可用于ADME研究，但它们不支持生理相关的组织分化或表现出正常的细胞异质性。模拟人类肠道的一个主要进展是肠道类器官的发展，类器官是患者组织来源的肠道细胞群，其中含有干细胞，当在3D ECM凝胶中培养并从培养基中去除关键可溶性因子(例如WNT, SB202190，烟酰胺)时，这些干细胞会分化并经历肠道形态发生的早期阶段；此外，该过程的关键是Notch抑制剂的添加(图2b)。这一过程导致肠道干细胞标记物LgrS仅在类器官内假定隐窝的隐窝基础细胞中表达增加，尽管+4细胞的潜在作用尚未在类器官中得到很好的探索。
在液体培养基中培养肠道类器官可以逆转极性，使上皮顶端表面朝外。然而，这些类器官不能很容易地用于ADME研究，因为现在腹腔表面是不可接近的。上皮取向也可以通过将类器官物理地夹在两个图案或微模表面之间来翻转80(图2c)。在Matrigel圆顶中培养的CRC类器官也被机械压缩，导致Lgr5和ki67表达增加。在这个模型中，循环压缩也被证明可以抑制CRC类器官中载药纳米载体(聚合物胶束)的摄取。微工程方法，如微冲压方法，也被应用于人工控制ECM支架的3D形态，从而使用Caco-2细胞系或来自肠道类器官的患者来源细胞来塑造上皮层，以重建3D隐窝-绒毛轴(图2c)。当含有WNT、R-spondin和Noggin的培养基由空肠类器官上皮衬里的支架基侧引入时，干细胞标记物OLFM4仅在隐窝区表达，而分化标记物KRT20则定位于绒毛。
图2 静态体外肠模型
3、微流控人体肠道芯片
最常用和最具特征的肠道器官芯片模型之一是一种大约9v电池大小的装置，由光学透明、柔性的硅树脂聚合物组成，其中包含两个平行的微通道，由柔性ECM涂层多孔膜隔开；肠上皮细胞可以在一侧培养，而基质细胞(如内皮细胞、成纤维细胞)可以在另一侧培养(图3a)。每个通道中的介质成分和流速可以独立控制，并且可以将类似蠕动的循环变形(在0.1-0.15 Hz频率下高达20%的幅度)应用于整个组织-组织界面。这种双通道芯片还可以使免疫细胞通过血管通道进行灌注，以研究它们对炎症或病原体感染的反应。两个通道的存在也允许缺氧梯度的建立，这使得人类肠道细胞与活的复杂微生物群(包括好氧和厌氧细菌)在体外培养至少5天。其他研究小组扩展了这一方法，加入了第三个平行通道，并使用柱或相导器用ECM凝胶填充中央通道(图3b)。在另一种设计中，一个菱形的腔室连接两个平行的线性通道，微血管内皮细胞在放置在中心腔室的ECM凝胶中生长，在那里它们自我组织成一个可渗透的血管网络(图3c)。其他芯片设计采用ECM凝胶，用激光烧蚀，形成多个侧边凹痕，形成隐穴，使基底干细胞极化(图3d)，或者在3D ECM凝胶内使用针、针或粘性指法形成空心圆柱形通道，然后沿着中心腔表面培养细胞(图3e)。然而，另一种器官芯片设计使用由多孔膜分隔的双室培养孔，其设计类似于transwell插入物，只是它们被修改为允许动态流体流向顶端或基部通道或两者(图3f)。这种配置可以通过不同设备之间的流体流动和每个器官的缩放尺寸和停留时间来适应多器官芯片平台。从肠道手术活检样本中获得的组织外植体也在器官芯片中进行了动态流体培养(图3g)。
图3 器官芯片肠模型
4、使用已建立的细胞系的人类肠道芯片
最早的器官芯片肠模型是一个包含两个平行微通道的装置，微通道由一层柔性多孔(直径5-7 μm)ECM包被膜隔开，膜的一侧内衬培养的人Caco-2肠上皮细胞，培养基通过两个通道灌注。通过以低速率(30 μl/h)流动流体，产生低剪切应力(0.02 dyne/cm2)，通过对膜和附着的组织层施加循环机械变形，模拟腔内微环境，通过真空驱动该柔性装置内的空心侧室模拟类似蠕动的运动。有趣的是，尽管Caco-2肠上皮细胞最初是从结肠癌中分离出来的，但肠道芯片中的细胞迅速形成了一个高度分化的绒毛上皮，由小肠的所有四种细胞系(吸收细胞、肠内分泌细胞、粘液分泌细胞和Paneth细胞)组成，即使培养基与过去用于培养该细胞系的培养基相同，也能实现这一特征。形成的肠绒毛也产生了有效的组织屏障，表现出人体肠道的吸收效率，分泌粘液，并且与在没有蠕动样力的静态transwell中培养相同的细胞相比，显示出更高的基于细胞色素P450 3A4 (CYP3A4)异构体的药物代谢活性。细胞产生CYP3A4酶的能力至关重要，因为许多药物、异种生物和潜在毒素都是通过这种酶代谢的。后来的机制研究表明，通过这些芯片的基底通道的动态流体流动对于诱导绒毛形成至关重要，这是由于WNT拮抗剂Dickkopf-l的上皮外梯度的建立和流动诱导的Frizzled-9受体调节都介导了这一组织发生过程。由于在该肠道芯片中分化的肠上皮也积累了一层厚厚的黏液层(再次在Caco-2细胞的静态培养中未见过)，该系统使商业益生菌产品(鼠李糖乳杆菌菌株GG, LGG)中发现的活细菌直接在人类肠上皮上(即在同一通道中覆盖黏液)共培养超过一周。从而开辟了体外研究人类宿主-微生物相互作用的新途径。Caco-2细胞也与来自甲氨蝶呤耐药HT29 (HT29-MTX)肠道细胞系的细胞在芯片上共培养，后者可以产生更多的粘液。
5、原代人小肠芯片
原发小肠和大肠芯片已经被用于以患者特定的方式，使用各种来源的生物样本以及各种类型的下游分析(图4)。更具体地说，多组学分析使人们对细胞内异质性和生物标志物的发现有了深刻的认识。例如，转录组学分析已被用于分析肠芯片，一项研究表明，由十二指肠类器官来源的上皮衬里的原代肠芯片模型比细胞来源的类器官更接近人类十二指肠。此外，scRNA-seq已被用于捕获不同的上皮细胞亚群，以及与静态transwell或Matrigel培养相比，在微流控芯片中培养十二指肠来源的类器官时LGR5+干细胞表达的变化。利用代谢组学技术，研究了大肠芯片中不同肠病细菌的致病性与细菌活力之间的关系，从而检测出物种特异性的微生物代谢物。空肠衍生类器官的蛋白质组学分析强调了流动和蠕动样循环菌株与静态transwell培养相比如何促进其分化。在肠芯片上进行多组学分析，如转录组学和代谢组学，以确定EED相关和临床相关的转录组学特征，并验证与该疾病相关的现有生物标志物，并有可能发现新的生物标志物。除了这些方法之外，其他基于组学的方法也可以在癌症相关的肠道芯片研究中找到应用。例子包括浅通测序，它通过评估拷贝数的扩增趋势来评估基因组内的遗传变异，以确定癌症的进展，以及可用于评估染色体上染色质可及性的ATAC-CHIP-seq方法。
图4 用于建立原代肠芯片和下游试验的细胞来源示意图概述
小结
众所周知，传统的体外模型和动物研究在复制肠道疾病患者的复杂反应方面存在局限性。器官芯片技术已经成为克服这些障碍的有力工具。这项技术不仅能够对活体人体肠道的结构和功能进行更精确的建模，而且还可以使研究人员单独改变每个潜在的控制参数(如细胞类型、机械线索、化学梯度、氧梯度等)，从而深入了解其他方式无法获得的生理控制和病理功能障碍的机制。这种合成生物学方法也可以促进治疗发现并提供对药物作用的新理解。它还为评估候选药物的有效性和安全性提供了一个有价值的测试平台。器官芯片技术在邻近细胞和组织(例如，内皮细胞、间质成纤维细胞、免疫细胞、神经细胞)存在或不存在的情况下，研究健康和病变的人类肠上皮细胞，以及复杂的活肠道微生物群，同时还能够分析动态流体流动和蠕动样机械线索的影响。如果使用得当，人体肠道芯片应该有助于识别肠道疾病背后的关键分子、化学、细胞和生物物理过程。同样的器官芯片可用于加速药物开发，并作为有价值的临床前工具，排除可能在临床试验中失败的治疗方法，并更多地关注那些为患者提供最大潜在益处的治疗方法。
参考文献
Özkan A, LoGrande NT, Feitor JF, Goyal G, Ingber DE. Intestinal organ chips for disease modelling and personalized medicine. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2024 Aug 27. doi: 10.1038/s41575-024-00968-3. Epub ahead of print. PMID: 39192055.
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本文来源：盛合瑞生物、类器官学社