在消化系统疾病领域，溃疡性结肠炎(UC)是一种令人困扰的慢性炎症性肠病(IBD)，其特征是结肠黏膜的持续炎症。尽管现有疗法主要针对免疫系统，但仅有20-30%的患者能够实现黏膜愈合，这促使科学家们将目光转向另一个关键环节——肠道上皮功能。正常的肠道上皮不仅是一道物理屏障，其代谢状态更与炎症的发生和发展息息相关。然而，由于缺乏能够准确模拟患者病变上皮的临床前模型，针对上皮细胞的疗法开发一直进展缓慢。近年来，类器官(organoid)技术的出现为这一领域带来了曙光。这类由成体干细胞培育而成的三维结构，能够在体外自我组织成具有来源组织特性的模型，为在体外研究人类肠道疾病提供了前所未有的平台。发表在《Nature Communications》的一项最新研究中，由Babajide A. Ojo、Michael J. Rosen等领导的研究团队，成功利用小儿溃疡性结肠炎患者的结肠类器官，深入揭示了活动期疾病结肠上皮细胞独特的代谢功能障碍，特别是脂质代谢紊乱在疾病发生中的核心作用。他们的研究发现，活动期UC的结肠上皮在分化过程中表现出一种“高代谢”状态，这种状态并非用于产生更多能量(ATP)，而是以线粒体解偶联和质子漏等形式被消耗，并伴随显著的氧化应激和炎症因子分泌增加。更重要的是，他们识别出PPAR-α是这一病理过程的关键驱动因子，并证实其药理抑制能够有效逆转代谢异常，减轻细胞应激，为开发新的上皮靶向治疗策略提供了坚实的科学依据。为了开展这项研究，研究人员主要应用了几项关键技术：首先，他们建立了源自小儿患者（包括非IBD对照、活动期UC和非活动期UC）直肠活检组织的结肠类器官生物样本库，作为核心研究模型。通过细胞外通量分析(Seahorse Analyzer)技术，精确测定了类器官的耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR)，以评估其线粒体呼吸和糖酵解功能。利用流式细胞术和荧光探针，对线粒体质量、膜电位(MMP)和活性氧(ROS)进行了定量。通过批量RNA测序(RNA-seq)和生物信息学分析（如Ingenuity Pathway Analysis），揭示了活动期UC类器官的转录组特征和关键信号通路。此外，还采用了靶向脂质组学对脂质种类进行大规模分析，并通过酶联免疫吸附试验(ELISA)和细胞迁移实验对炎症因子分泌的功能进行了验证。Derivation of pediatric colon organoids（小儿结肠类器官的建立）研究人员从接受结肠镜检查的儿科患者（n=24）的直肠活检组织中成功培育出类器官。结果显示，从非IBD对照中回收成熟未分化球体(spheroid)的速度更快（约7天），而活动期UC(aUC)的球体则需要10-14天。一旦完全建立，aUC球体在形态上与对照组相似，并且经过多次传代和冻融循环后仍能保持这种相似性。来自非活动期UC(iUC)患者的类器官建立时间线和形态与非IBD患者相似。总体而言，从对照、aUC和iUC患者的结肠活检组织中生成稳定球体的成功率分别为93%、82%和89%。Colonoids from active UC patients exhibit impaired differentiation and hypermetabolism（活动期UC患者的类器官表现出分化受损和高代谢）在非分化条件下，对照组和aUC球体在形态和代谢上没有差异。然而，在分化条件下（此时称为colonoids），早在第3天就观察到aUC类器官与对照组之间的形态差异，更多的aUC类器官保持囊状形态，而对照组则大多形成出芽结构。分化至第7天时，aUC类器官的存活率明显降低。免疫荧光染色显示，aUC类器官在分化过程中未能有效上调杯状细胞标记物WFDC2的表达，这与UC中杯状细胞耗竭的现象一致。代谢分析表明，在分化3天后，aUC类器官的基础耗氧率(OCR)比对照组高出122%，其中质子漏(proton leak)贡献了75%的显著升高。同时，aUC类器官的线粒体膜电位(MMP)降低，而线粒体质量、线粒体ROS水平和乳酸脱氢酶(LDH)释放均显著增加，表明aUC类器官在分化早期存在高代谢、代谢效率低下及相关细胞应激。
Colonoids from inactive UC patients recall features of hypermetabolism upon inflammatory exposure（非活动期UC患者的类器官在炎症刺激下重现高代谢特征）非活动期UC(iUC)类器官在分化过程中与对照组表现出相似的形态和代谢差异。当暴露于炎症因子混合物（TNFα, IL-1β, flagellin）时，iUC类器官（而非对照组）在分化3天后表现出出芽形态减少、线粒体质量增加和基础OCR升高，表明iUC类器官对炎症挑战更敏感，并能部分重现aUC相关的高呼吸表型。Metabolic uncoupling contributes to hypermetabolism in aUC colonoids（代谢解偶联导致aUC类器官的高代谢）aUC类器官中观察到的质子漏和代谢效率低下提示存在线粒体解偶联。对公共RNA-seq数据集的分析显示，解偶联蛋白2(UCP2)在儿科UC患者的直肠黏膜中显著上调。在患者来源的类器官样本中，也观察到UCP2在mRNA和蛋白水平上的表达增加。使用低剂量解偶联剂FCCP处理对照类器官，可诱导出类似aUC的高代谢表型，包括基础OCR、质子漏、线粒体质量和线粒体ROS升高，且解偶联诱导的高代谢应激先于类器官分化受损出现。Active UC colonoids exhibit an altered transcriptional profile and upregulated chemokine secretion（活动期UC类器官表现出改变的转录谱和上调的趋化因子分泌）分化3天后，对照组和aUC类器官的转录组谱出现差异。在aUC类器官中，112个基因显著上调，34个基因显著下调。上调基因包括已知的MHC II类相关基因（如HLA-DRA, HLA-DMB）、脂质相关基因（如FABP6, ABCA12, APOL3）和CARD6。下调基因涉及细胞骨架丝发育、杯状细胞功能（如ZG16, WFDC2）等。与高代谢表型一致，aUC类器官中参与巨噬细胞（CCL2）、T细胞（CXCL11）、中性粒细胞（CXCL1）募集的趋化因子基因表达增强，相应蛋白质的分泌也增加。aUC类器官的条件培养基表现出更强的中性粒细胞趋化能力。此外，FCCP诱导的代谢解偶联足以上调对照类器官中趋化因子基因的表达。
Dysregulated lipid metabolic genes in aUC colonoids（aUC类器官中脂质代谢基因失调）通路分析同样将脂质代谢确定为前10个主要分子和细胞功能之一。aUC类器官中上调的脂质代谢基因涉及脂肪酸转运（FABP6, ABCA12）、载脂蛋白（APOL1, APOL3）、鞘脂和磷脂生物合成、脂质代谢CYP酶以及脂解作用（LPL, PLB1, AADAC）。对公共单细胞RNA-seq数据的分析表明，这些脂质相关基因在UC患者的炎症上皮细胞（包括干细胞和其他祖细胞谱系）中也表达上调。Aberrant lipid accumulation and oxidation in aUC colonoids during differentiation（分化过程中aUC类器官异常的脂质积累和氧化）与基因表达变化一致，在未分化的球体中，aUC和对照的中性脂质含量相似。但在分化过程中，aUC类器官的中性脂质积累显著增加。脂质组学分析进一步揭示了aUC类器官与对照组相比，有96种脂质物种（来自15个类别）显著富集，包括20种线粒体结合的酰基肉碱、29种磷脂酰乙醇胺和8种磷脂酰肌醇等。脂蛋白脂肪酶(LPL)的活性在aUC类器官分化早期也更高。为了验证脂质氧化对高代谢的贡献，研究者在营养耗尽的培养基中用肉碱棕榈酰转移酶1a(CPT1a)抑制剂依托莫司(Etomoxir)抑制脂肪酸氧化(FAO)。结果显示，Etomoxir能将aUC类器官的基础OCR和质子漏降低至对照组水平，并降低其ATP关联的OCR，表明脂质氧化对aUC的高代谢表型是必需的。用棕榈酸(PA)处理对照类器官可诱导UCP2和FABP6的表达，并导致CXCL1上调，而用Etomoxir阻断线粒体脂质氧化可减少CXCL1的分泌，提示脂肪酸过度暴露可能通过线粒体β-氧化参与炎症反应。PPAR-alpha contributes to hypermetabolic stress during colonoid differentiation（PPAR-α在类器官分化过程中促进高代谢应激）因果网络分析(Causal Network Analysis)确定PPARA-RXRA网络是aUC类器官转录组差异的最显著因果因子。单细胞RNA-seq数据分析显示，PPARA在UC患者结肠上皮的祖细胞中上调。虽然批量RNA-seq未检测到PPARA mRNA表达的差异，但aUC类器官细胞核提取物中的PPAR-α活性在分化早期（24小时）增强。用PPAR-α激动剂非诺贝特(Fenofibrate)处理对照类器官，可模拟aUC的多种表型：减少出芽形态、下调WFDC2、增加葡萄糖消耗、上调UCP2表达、促进中性脂质积累和LPL活性、增加线粒体质量、MitoSOX ROS、基础/最大/质子漏/非线粒体OCR，并诱导LDH释放。这表明PPAR-α激活足以在结肠上皮分化过程中诱导高代谢应激。Pharmacological inhibition of PPAR-α reprograms epithelial metabolism in aUC colonoids（PPAR-α的药理抑制重编程aUC类器官的上皮代谢）使用PPAR-α拮抗剂GW6471(GW)处理aUC类器官，可抑制中性脂质积累，并下调LPL和UCP2基因表达。在营养丰富的培养基中，GW处理显著降低了aUC类器官的基础、最大、质子漏和ATP关联的OCR，但不影响总ATP水平。在营养耗尽的条件下，GW处理消除了Etomoxir对细胞生物能学的影响，表明GW处理削弱了脂质氧化对能量的贡献。相应地，GW处理的aUC类器官葡萄糖消耗增加，提示代谢转向更多地利用葡萄糖。在细胞健康方面，GW处理降低了LDH释放（细胞毒性标志物）和CXCL1分泌，并下调了干性标志物(ASCL2)，同时上调了分化标志物(WFDC2)。这些数据表明，抑制PPAR-α可诱导aUC上皮类器官的代谢重组，减少对脂质氧化的依赖，从而减轻细胞毒性和炎症，并促进上皮分化的分子标志。讨论与结论本研究利用患者来源的结肠上皮类器官模型，揭示了小儿溃疡性结肠炎上皮细胞在分化过程中存在以脂质代谢紊乱为核心的高代谢现象。这种高代谢表现为线粒体呼吸增强、质子漏增加、代谢效率低下，并与氧化应激、炎症因子分泌增加和分化受损相关。研究证实，脂质过度积累和脂肪酸氧化是维持高代谢表型的必要条件，而PPAR-α通路的异常激活是驱动这一病理过程的关键上游机制。重要的是，药理抑制PPAR-α能够逆转脂质代谢异常，将细胞代谢从依赖脂质氧化转向葡萄糖利用，从而减轻高代谢应激、炎症因子分泌和细胞毒性，并部分改善分化标志。这项研究的意义在于：首先，它首次在患者来源的类器官模型中系统阐述了小儿UC结肠上皮的代谢功能障碍，突出了脂质代谢的关键作用。其次，它确定了PPAR-α作为连接脂质代谢、线粒体功能和上皮炎症的核心调控节点，为开发新的上皮靶向疗法提供了潜在的分子靶点。此外，研究证明了患者来源类器官作为临床前模型在研究上皮特异性疾病机制和筛选疗法方面的巨大潜力。总之，该研究深化了对UC上皮病理生理学的理解，指出调控上皮细胞脂质代谢可能是促进黏膜愈合的新策略，为未来治疗干预开辟了新的方向。
