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Advances in Porcine Respiratory and Intestinal Organoids: Status and Potential Application for Virus Infections
第一作者：刘春汝
通讯作者：刘平黄、锡林
研究背景
呼吸道和消化道作为宿主与环境之间的重要屏障，在防御病毒感染方面发挥着关键作用。导致猪传染病的病毒大多通过呼吸道和胃肠道侵入，然而，由于缺乏能够有效模拟体内复杂生理特征的研究模型，病毒与宿主相互作用的研究受到限制。随着干细胞技术的发展，类器官逐渐成为研究热点，它们更接近特定器官或组织的结构和功能。这些新型的体外模型在研究病毒感染、探讨病毒致病机制、阐明病毒与宿主相互作用，以及开发预防和治疗方法方面具有重要意义。目前，呼吸道与肠道类器官已被广泛应用于传染病研究。本综述总结了猪呼吸道与肠道类器官的最新研究进展，以及它们在病毒感染研究中的应用、局限性和未来前景。
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（1）猪呼吸道与肠道类器官概述
类器官是由干细胞生长分化形成的三维结构，包含特定器官的多种细胞类型，能够重现原生器官的细胞结构和功能。目前，常用的类器官模型主要基于多能干细胞（Pluripotent stem cells，PSCs）和成体干细胞（Adult stem cells，ASCs）作为组织结构的来源。由ASCs衍生的猪类器官，如猪呼吸道与肠道类器官，已在体外成功构建（图1），并在疾病研究中发挥了重要作用。此外，鉴于猪的基因组大小、组成及其器官功能特性与人类相似，猪类器官常用于模拟人类的生理和病理功能。
图1 猪成体干细胞衍生的呼吸道与肠道类器官培养示意图
① 呼吸道类器官
呼吸道类器官可以从多种干细胞来源获得，包括PSCs与ASCs衍生的呼吸道类器官。这些呼吸道类器官已广泛应用于监测病毒感染、研究病理变化和评估潜在的治疗方法。本课题组已成功实现猪呼吸道类器官的长期培养（图2），这些呼吸道类器官包含气道上皮的4种主要细胞类型：纤毛细胞、杯状细胞、基底细胞和克拉拉细胞。无论是二维还是三维培养的呼吸道类器官，均能被传染性胃肠炎冠状病毒（Transmissible gastroenteritis coronavirus，TGEV）和猪呼吸道冠状病毒（Porcine respiratory coronavirus，PRCoV）成功感染，并产生显著的干扰素和炎症反应。这表明，猪呼吸道类器官已成为研究猪呼吸道感染的一个潜在的通用平台。
图2 猪成体干细胞衍生的呼吸道类器官。图中是2日龄仔猪气管上皮细胞在Matrigel基质中培养后，呼吸道类器官分化的代表性显微镜图象，比例尺 = 200 μm。
② 肠道类器官
肠道类器官可以通过PSCs分化或由体内隐窝底部的肠道干细胞及其祖细胞衍生而来，主要包括5种细胞类型：杯状细胞、肠上皮细胞、肠内分泌细胞、潘氏细胞和肠干细胞。已有研究成功在不同肠段（如十二指肠、空肠、回肠和结肠）建立了猪肠道类器官，这些肠道类器官已广泛应用于多个研究领域，作为体外模型使用（图3）。
图3 猪成体干细胞衍生的肠道类器官
A：猪小肠类器官体外分化过程；B：猪结肠类器官体外发育过程
（2） 呼吸道与肠道类器官在病毒研究中的应用
① 呼吸道类器官可用于体外研究，探索鼻腔、近端肺和远端肺中病毒与宿主的相互作用。不同部位来源的呼吸道类器官有助于研究不同病毒的细胞嗜性和宿主的免疫反应，并已广泛应用于人类和啮齿动物呼吸道病原体的研究。尽管已有多项研究证实，许多病毒可以感染呼吸道上皮细胞（表1），但关于猪呼吸道类器官的报道仍较少。2022年，本课题组成功建立了来源于基底上皮细胞的可长期培养的猪呼吸道类器官，并首次使用该模型评估了TGEV和PRCoV在呼吸道类器官中的易感性，证明猪呼吸道类器官能够模拟病毒在猪体内的感染过程，为进一步探索呼吸道冠状病毒的致病机制提供了新的研究平台。
② 肠道类器官已被用于揭示宿主与细菌、宿主与病毒的相互作用，以及肠道病毒的复制和致病特征。猪肠道中存在多种病毒，目前关于肠道类器官的研究主要集中于猪肠道冠状病毒（表2）。本课题组通过建立来源于猪十二指肠、空肠、回肠和结肠的猪肠道类器官，首次研究了这些肠段对猪流行性腹泻病毒（Porcine epidemic diarrhea virus，PEDV）的易感性，并发现猪德尔塔冠状病毒（Porcine deltacoronavirus，PDCoV）更倾向于感染空肠和回肠，而在十二指肠和结肠中的复制受到限制。
表1 病毒及其感染的呼吸道上皮细胞类型
表2 猪肠道类器官在病毒研究中的应用
（3）呼吸道与肠道类器官在病毒研究中的局限和前景
尽管呼吸道与肠道类器官保留了细胞多样性，但它们缺乏对呼吸道和肠道功能至关重要的其他细胞类型，如免疫细胞、淋巴细胞、内皮细胞、神经元、平滑肌细胞和成纤维细胞。已有研究开发了可以与这些细胞类型共培养的类器官模型，以更全面地研究病毒感染过程中上皮细胞与非上皮细胞之间的相互作用。然而，一些新型技术（如基因编辑和生物打印）尚未广泛应用于猪类器官模型。未来，猪类器官有望应在临床前药物开发和毒理学研究中得到应用，从而缩小传统细胞检测与动物实验领域之间的研究差距。
编辑荐语
本综述总结了猪呼吸道与肠道类器官在病毒学研究中的应用，展示了这些类器官在疾病研究中的巨大潜力。利用这些类器官模型，研究人员能够更精确地模拟病毒感染过程，揭示病毒与宿主细胞之间的复杂的相互作用，并探索新的治疗策略。
作者介绍
通讯作者：刘平黄
中国农业大学动物医学院预防兽医学系教授、博士生导师，2020年中国农业大学引进“杰出人才”。主要从事PEDV、TGEV、PDCoV 等动物冠状病毒的致病机理和免疫保护机制、抗体工程等方面的研究。目前承担的科研任务包括国家“十三五”计划子任务、国家自然科学基金项目和中国农业大学启动基金等。主要研究成果以第一作者或通讯作者发表在PLoS Pathogens、Journal of Virology等杂志，并获得发明专利1项。担任Journal of Virology、Virology、Archives of Virology、Veterinary Microbiology等国际期刊的同行评审人。
通讯作者：锡林
北卡罗莱纳州立大学动物科学系教授。研究领域为新生动物肝脏脂质代谢与肠道健康。研究项目主要集中在脂肪酸氧化代谢的调控机制以及脂肪酸在猪新生期肠道发育和免疫功能中的作用。目前的研究兴趣包括：了解表观遗传对胎儿生长和发育调控的影响；膳食微量元素和脂肪酸在增强肠道免疫功能和缓解动物热应激方面的功效。
原文链接
Liu, C., Dong, X., Liu, P. et al. Advances in porcine respiratory and intestinal organoids: status and potential application for virus infections. One Health Adv. 2, 22 (2024).
https://doi.org/10.1186/s44280-024-00052-0
