人iPSC来源肠上皮单层对微生物毒素LPS与尼日利亚菌素的促炎响应机制研究及其在肠道屏障功能评估中的意义

本研究针对传统Caco-2细胞模型在模拟肠道炎症反应中的局限性，开发了人诱导多能干细胞（iPSC）分化的肠上皮细胞（IEC）模型，通过LPS与尼日利亚菌素（nigericin）联合暴露实验，证实iPSC-IEC模型可显著响应毒素刺激，表现为屏障完整性下降（TEER降低）、细胞毒性（LDH释放）及促炎因子（IL-6、IL-8、TNF-α）的基因表达与分泌上调，而Caco-2模型无显著响应，表明iPSC-IEC模型在模拟肠道炎症反应与屏障功能障碍中具有更高敏感性与生理相关性，为炎症性肠病（IBD）机制研究与化合物安全性评价提供了更优工具。

　　

肠道不仅是营养吸收的关键场所，更是人体免疫防御的第一道防线。肠上皮细胞（IEC）通过紧密连接蛋白形成选择性屏障，在维持肠道稳态和启动炎症反应中扮演核心角色。然而，体外模拟这一复杂生理过程一直面临挑战。广泛使用的Caco-2细胞模型虽能分化为肠上皮样细胞，却缺乏关键炎症受体（如TLR4）和通路，难以真实反映体内炎症响应。近年来，人诱导多能干细胞（iPSC）技术为构建更接近人体生理状态的肠上皮模型提供了新可能，但其在炎症应答方面的表现尚待系统评估。

在此背景下，研究团队在《Archives of Toxicology》发表了最新成果，系统比较了iPSC来源IEC与Caco-2细胞对微生物毒素脂多糖（LPS）和尼日利亚菌素（nigericin）的炎症响应差异。研究发现，iPSC-IEC模型不仅具备多种功能细胞类型（如肠细胞、杯状细胞、潘氏细胞），更在毒素刺激下表现出显著的屏障破坏和炎症因子释放，而Caco-2模型几乎无响应，证明了iPSC-IEC在模拟肠道炎症中的优越性。

研究采用了几项关键技术：通过多阶段因子诱导（Activin A、BMP4、FGF2等）将iPSC分化为包含多种肠上皮细胞的单层模型；使用Transwell体系构建具有 apical-basolateral 极性屏障的细胞模型；通过跨上皮电阻（TEER）监测屏障完整性；采用LDH释放试验评估细胞毒性；运用RT-qPCR和ELISA分别检测炎症因子基因表达与蛋白分泌；免疫荧光染色确认细胞类型特异性蛋白表达（如Villin 1、MUC2、Lysozyme）。所有细胞实验均基于来自Cedars-Sinai医学中心的iPSC系（CS83iCTR-33nxx）和ATCC来源的Caco-2细胞（HTB-37），并在分化成熟后（iPSC第26-28天，Caco-2第21天）进行暴露实验。

分化与表征

研究通过三阶段分化方案成功将iPSC诱导为具有多种细胞类型的肠上皮单层。基因表达分析显示，多能性标志物POU5F1随分化进程显著下调，内胚层标志SOX17和肠道干细胞标志LGR5在早期阶段显著上升。分化后期，肠细胞标志VIL1、杯状细胞标志MUC2和潘氏细胞标志LYZ表达显著上调，免疫荧光染色进一步证实了Villin 1、Mucin 2和Lysozyme蛋白的表达。此外，阿尔新蓝/过碘酸-雪夫（Alcian Blue/PAS）染色显示细胞层顶部存在酸性及中性黏液簇，表明杯状细胞功能活性。值得注意的是，内分泌细胞标志CHGA在分化过程中表达下降且免疫染色未检出阳性信号，提示该模型未分化出内分泌细胞。

屏障完整性与细胞毒性

分化过程中，iPSC-IEC与Caco-2单层均形成有效屏障，TEER值分别稳定在约1000 Ω·cm2和300 Ω·cm2。暴露于LPS（100 ng/mL）与不同浓度尼日利亚菌素（0-100 μM）24小时后，iPSC-IEC模型表现出浓度依赖性的TEER下降和LD释放增加，尤其在10 μM及以上尼日利亚菌素联合LPS处理时差异显著。相反，Caco-2模型在相同处理下TEER与LDH均无显著变化，提示其对该类毒素刺激不敏感。

促炎细胞因子的响应

在炎症因子响应方面，iPSC-IEC模型显示出显著优势。暴露后，其IL-6、IL-8和TNF-α的基因表达与蛋白分泌均显著上调，尤其在basolateral侧暴露于高浓度尼日利亚菌素（100 μM）时效果最明显。而Caco-2模型则无任何显著响应。此外，iPSC-IEC模型的基线细胞因子分泌水平也显著高于Caco-2，提示其处于一种低度炎症状态，更接近体内生理情况。

研究结论明确强调，iPSC来源的肠上皮细胞模型在响应微生物毒素引发的炎症反应方面显著优于传统Caco-2模型，能够更真实地模拟肠道屏障破坏、细胞毒性及炎症因子释放等关键病理过程。这一发现不仅为肠道炎症机制研究提供了更可靠的体外工具，更在疾病建模（如炎症性肠病IBD）、药物安全性评价及个性化医疗方面具有重要应用价值。未来研究可进一步引入免疫细胞共培养体系，以更全面模拟体内微环境及细胞间相互作用，推动肠道炎症模型向更高生理相关性发展。