编辑推荐：
传统细胞培养方法难以模拟生物体复杂生理条件，为解决此问题，研究人员开展 “仿生培养底物用于体外模拟稳态肠上皮” 的研究。他们制备出仿生底物，发现其可促进细胞增殖分化，增强抗感染能力，为肠道研究和药物测试提供新平台。
在人体的消化系统中，小肠是一个功能强大且极为复杂的器官。它不仅承担着消化食物、吸收营养的重任，还得巧妙地处理体内的废物，同时与众多共生微生物和谐共处，共同维持着身体的健康平衡。小肠的内表面有着独特的绒毛 - 隐窝结构，这些微小而精密的构造，极大地增加了肠道的表面积，为营养物质的吸收提供了广阔的空间，同时也在细胞分化和组织更新中发挥着关键作用 。然而，传统的二维（2D）细胞培养方法，就像是用简单的图纸去描绘一幅复杂的画卷，无法真实地展现小肠上皮的复杂功能和结构。它们缺乏小肠特有的形态特征，在培养完全分化的细胞以及探究细胞间、宿主与微生物间的相互作用方面，遭遇了重重困难。
为了攻克这些难题，来自加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们致力于开发一种仿生培养底物，希望借此在体外构建出能够模拟稳态肠上皮的环境，为肠道相关的研究开辟新的道路。经过一系列严谨且深入的实验，他们成功制备出模仿绒毛 - 隐窝结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底，并在其表面修饰了细胞外基质（ECM），形成了 V - ECM 仿生培养底物。研究发现，在 V - ECM 上培养的肠细胞，展现出了令人惊喜的特性。这些细胞不仅增殖速度快，而且能够迅速自我组织，在短短 72 小时内就实现了显著的组织功能，这一成果相比其他生物工程系统所需的 12 - 21 天，无疑是一个巨大的进步。此外，V - ECM 培养的组织对病原体感染的抵抗力更强，为研究肠道疾病和开发新型治疗方法提供了有力的支持。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的发展带来了新的曙光。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是仿生底物的制备技术，通过对 PS 热收缩膜进行处理，再用 PDMS 复制其纹理，并进行化学修饰以固定 ECM。其次，细胞培养与检测技术也至关重要，使用 Caco - 2 和 HT29 - MTX - E12 细胞系进行共培养，借助 RNA 定量、免疫荧光（IF）成像、实时荧光定量聚合酶链反应（RT - PCR）等多种检测手段，对细胞的增殖、分化和功能进行全面分析。另外，还利用微流控芯片技术，在模拟体内流动的条件下研究组织的发育和功能。
下面来详细看看研究结果：
- Villi - crypts mimicking substrates（模拟绒毛 - 隐窝的底物）：研究人员通过对 PS 热收缩膜进行 150°C 热处理，成功制备出具有特定皱纹形态的 PDMS 基底。随后，经过多步化学修饰，在基底表面成功固定 ECM。一系列检测表明，这种修饰不仅增加了蛋白质的固定量，还改变了基底的润湿性和界面杨氏模量，使其更有利于细胞的附着和生长。
- Culturing Caco - 2/HT29 - MTX - E12 cells（培养 Caco - 2/HT29 - MTX - E12 细胞）：将 Caco - 2 和 HT29 - MTX - E12 细胞以 6:1 的比例接种在 V - ECM、F - ECM 和对照组培养板上。结果显示，V - ECM 组的细胞增殖速度明显更快，且形成了更稳定、紧密的上皮层。通过多种检测方法证实，V - ECM 促进了细胞的极化和分化，增强了组织的稳定性和屏障功能。
- Differentiation and functionality（分化与功能）：培养 72 小时后，V - ECM 上的组织形成了规则的绒毛 - 隐窝单元。IF 成像和 RT - PCR 分析表明，V - ECM 促进了肠细胞的分化，使其表达更多与肠功能相关的生物标志物，如紧密连接蛋白（TJP1）、粘蛋白（MUC2、MUC5AC）等，同时增强了组织的消化和营养吸收功能。
- Digestion activity（消化活性）：研究发现，V - ECM 上培养的组织在消化酶活性和脂肪酸吸收方面表现出色。蔗糖酶和碱性磷酸酶（ALPase）的活性显著高于其他组，且能更有效地吸收脂肪酸，合成更多的甘油三酯（TG），充分展示了其良好的消化和营养代谢功能。
- Infection modeling（感染建模）：在大肠杆菌感染模型中，V - ECM 培养的组织表现出强大的抗感染能力。与 F - ECM 和对照组相比，V - ECM 组的细菌附着和感染明显减少，组织完整性得以更好地维持。这主要得益于 V - ECM 组织分泌的抗菌肽（AMPs）增加，激活了组织的自我防御机制。
- Theopoetic screening for antimicrobials efficacy（抗菌药物疗效的体外筛选）：利用 V - ECM 培养的组织，研究人员对噬菌体 T4 和卡那霉素（Kan）的抗菌效果进行了测试。结果表明，噬菌体 T4 在治疗耐药大肠杆菌感染方面表现出显著优势，能够有效减少细菌数量，为抗菌治疗提供了新的思路和方法。
- Impact of dynamic culture on tissue development and functionality（动态培养对组织发育和功能的影响）：将 V - ECM 集成到微流控芯片中，模拟体内的剪切应力进行动态培养。结果显示，动态培养促进了肠细胞的上皮化和分化，增加了粘蛋白的合成，提高了组织的屏障功能，进一步证明了 V - ECM 在模拟体内生理环境方面的优势。
- Culturing intestinal organoid - derived cells（培养肠类器官来源的细胞）：研究人员在 V - ECM 上培养人肠类器官（hIOs）来源的细胞，发现这些细胞能够成功黏附、增殖并分化为功能性肠上皮。与其他培养方式相比，V - ECM 培养的组织具有更稳定的结构和更高的分化程度，为研究肠道发育和疾病提供了更可靠的模型。
在研究结论和讨论部分，该研究成功开发的 V - ECM 仿生培养底物，为体外模拟肠上皮提供了一种简单且高效的方法。它不仅克服了传统培养方法的局限性，能够快速诱导细胞增殖和分化，还能有效模拟肠道的生理功能和抗感染能力。此外，V - ECM 在微流控芯片中的应用，为研究肠道生物学和疾病机制提供了更接近体内环境的平台。同时，该研究还展示了 V - ECM 在药物筛选和抗菌治疗研究中的巨大潜力，有望为未来肠道疾病的治疗和药物研发带来新的突破，推动生命科学和健康医学领域的进一步发展。
