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本文由罗氏巴塞尔IHB的Matthias P. Lutolf组的科研人员12月4日在线发表于Nature Biomedical Engineering杂志。原文衔接请点击文章最后的阅读原文。
星球号提供也原文下载。（星球号二维码见下方） 具有双侧通道的模式化胃肠单层细胞可作为寄生虫肠道感染的可观察模型
文章创新点
增强的可观察性
Transgel 系统允许直接实时显微观察单个细胞及其交互过程，克服了传统 3D 类器官光学观察受限的问题。
双侧可操作性
该方法能够独立控制上皮单层的顶端（apical） 和基底侧（basal），从而便于研究病原体感染、营养物质吸收和长期生理过程。
组织几何结构的模拟
模型重现了胃肠道组织的天然结构（如小肠的隐窝-绒毛模式和胃的腺体模式），生理相关性优于传统随机几何的类器官系统。
宿主-病原体研究中的应用
Transgel 系统成功展示了其在鞭虫（Trichuris muris）感染 研究中的效用，包括观察病原体隧道形成和宿主细胞反应的动态过程。
长期稳定性
与传统类器官因腔内碎屑积累而迅速退化不同，Transgel 模型能够维持细胞活性和稳态条件较长时间，支持更长期的实验研究。
此系统结合了类器官的生理优势和 2D 培养的实验灵活性，是在上皮生物学和感染疾病研究领域的重大进展。
文章解析
本研究旨在解决传统三维（3D）类器官模型在胃肠道（GI）研究中的局限性，这些局限包括：
- 顶端区域的有限可操作性
：难以直接研究营养物质吸收和病原体感染。 - 随机分化与结构异质性
：导致实验结果的高变异性。 - 寿命短
：由于腔体内死细胞积累，传统类器官的生存时间较短，限制了长期研究。 - 光学和实验操作受限
：难以进行实时研究。
为解决这些问题，作者开发了一种新型“Transgel” 系统，该系统结合了水凝胶支架和 Transwell 系统的特点，创建了双侧可操作的胃肠道上皮模型，实现了更高的生理相关性和细胞动态实时观察的能力。
研究结果
第一部分：Transgel 系统的开发
作者设计了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微流体设备，包含胶原-Matrigel 水凝胶支架。其关键特性包括：
- 薄水凝胶层
：允许从基底介质扩散生长因子，同时顶端介质也可独立添加。 - 水凝胶结构化
：使用 PDMS 模具模仿天然胃肠道组织结构（如小肠的隐窝-绒毛结构和胃的腺体-隐窝结构）。
验证结果：
使用荧光标记的葡聚糖验证了介质的扩散性。 该模型支持细胞附着、生长，并维持顶端-基底极性（apical-basal polarity）。
第二部分：胃肠道组织模型的生成
利用 Transgel 系统生成了由胃、小肠、盲肠和结肠类器官衍生的模式化上皮单层：
- 干细胞定位
：免疫染色结果表明，干细胞和祖细胞（标记为 Sox9 和 Lgr5）主要定位于隐窝和腺体区域，重现了体内模式。 - 分化特性
：检测到分化细胞的标志（如分泌粘液的杯状细胞和吸收性肠上皮细胞）。转录组分析显示，Transgel 模型与天然组织具有很高的相关性。 - 稳定性
：模型在长达 21 天（胃）、14 天（小肠）和 10 天（盲肠和结肠）内，均能维持细胞组成和基因表达模式。
第三部分：气液界面（ALI）培养
为提高生理相关性，胃模型在气液界面（ALI）条件下培养：
- 细胞迁移
：暴露于空气的细胞表现出增强的分化，类似体内腺体向表面迁移的过程。 - 转录组学结果
：RNA 测序显示，ALI 培养条件下的模型与新鲜分离的胃组织转录组相似性更高。 - 细胞动态
：ALI 条件下观察到更高的细胞运动性，反映了天然上皮的动态特性。
第四部分：鞭虫（T. muris）感染研究
利用盲肠模型感染鞭虫（T. muris）幼虫，展示了其在宿主-病原体研究中的效用：
- 动态追踪感染过程
：时间序列显微镜捕捉了幼虫穿透上皮细胞并形成胞内隧道的过程。 - 宿主反应
：感染初期宿主细胞膜保持完整，但随后经历凋亡，反映了体内的感染动态。
主要方法
1. 设备构建
使用光刻和等离子体键合技术制造 PDMS 微流体设备。
胶原-Matrigel 混合水凝胶作为支架，通过 PDMS 模具结构化并接种类器官单细胞。
2.成像与分析
通过共聚焦和明场显微镜进行活细胞成像和时间序列研究。
利用 Cellpose 和 TrackMate 软件分析细胞迁移。
RNA 测序和差异基因表达分析用于转录组学表征。
3. 感染实验
将 T. muris 幼虫添加至顶端区域，使用凋亡和通透性染料配合共聚焦显微镜追踪感染。
讨论
Transgel 系统弥合了传统 3D 类器官和 2D 培养系统之间的差距，其优势包括：
- 增强的可操作性
：能够独立操控顶端和基底侧。 - 改进的可观察性
：实现对单细胞和宿主-病原体交互的实时成像。 - 长期稳定性
：支持更长时间的实验研究，维持稳态条件。
研究展示了该系统在上皮生物学研究中的潜力，可以详细分析细胞迁移、分化和感染机制。气液界面培养进一步增强了生理相关性，特别是胃模型的表现。
研究的局限性
生理准确性
尽管大多数模型的转录组相关性较高，但结肠模型与天然组织的相似度较低，需进一步优化培养条件。
免疫系统缺失
模型中缺乏免疫细胞和间质成分，无法完全模拟体内反应。
病原体特异性
研究重点为 T. muris 感染，尚未推广至其他病原体或感染模型。
该研究为胃肠道组织建模提供了重大进展，提出了一种多功能、具有生理相关性的研究平台，可用于上皮生物学和感染疾病研究。未来的工作应整合免疫成分并提高结肠模型的精确性，以进一步增强其应用潜力。
往期回顾
1. 重磅！！iPSC到CAR-T 细胞的最新优化策略！！Cell Stem Cell
2. 对骨骼类器官研究的重要启示！！Nature Cell Biology--专门化的动脉后毛细血管促进成人骨骼重塑
3. Stem Cell Reports杂志2024年高引文章汇总
4. 患者来源的类器官助力多重单细胞测序用于药物发现---Nature Chemical Biology
5. 类器官研究工具升级！！Nature methods---可用于类器官中RNA邻近相互作用研究的原位探测技术
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