综述：干细胞来源的肠道类器官建模炎症性肠病的研究进展

这篇综述聚焦炎症性肠病（IBD），涵盖克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）。探讨其发病机制，包括遗传、免疫等因素。阐述肠道类器官在 IBD 研究中的应用，如模拟疾病、筛选药物，为 IBD 治疗提供新思路。

　　

炎症性肠病概述

炎症性肠病（IBD）是一类复杂的慢性炎症性疾病，主要包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）。近年来，IBD 的全球发病率呈上升趋势，尤其在新兴工业化国家更为明显。这与经济发展、西方化生活方式等因素密切相关。IBD 不仅给患者带来身体上的痛苦，如腹痛、慢性腹泻、体重减轻和疲劳等，还严重影响患者的生活质量，同时也给医疗系统带来沉重的负担。

IBD 的发病机制十分复杂，涉及遗传、环境、免疫和微生物等多个方面。遗传因素方面，已发现超过 200 个与 IBD 相关的基因位点，这些基因参与多种生物学过程，影响 IBD 的发生发展。例如，TRIM22 基因的变异会影响其与 NOD2 的相互作用，进而影响 NF-κB 信号通路的激活 。此外，DNA 甲基化、组蛋白修饰等表观遗传调控在 IBD 中也起着重要作用。

免疫调节异常在 IBD 发病中占据关键地位。IBD 患者肠道内免疫细胞浸润，促炎细胞因子如 TNF-α、IL-6 等过度表达，导致肠道炎症反应加剧。同时，免疫细胞之间的平衡被打破，如调节性 T 细胞（Tregs）与 Th17 细胞的比例失调，使得肠道炎症难以控制。

肠道微生物群的改变也是 IBD 发病的重要因素。IBD 患者肠道微生物多样性降低，有益菌减少，有害菌增加。例如，黏附侵袭性大肠杆菌（AIEC）的增多与 CD 的病理特征密切相关，它会破坏肠道屏障功能，引发异常免疫反应。

肠道的组织学基础

哺乳动物的肠道具有吸收营养和抵御有害物质的双重功能，这依赖于多种细胞的协同作用。肠道组织由外胚层、中胚层和内胚层发育而来，包含多种细胞类型。

肠道上皮细胞（IECs）是肠道屏障的重要组成部分，它们通过紧密连接形成物理屏障，阻止细菌和毒素进入体内。同时，IECs 还参与免疫调节，与肠道内的免疫细胞相互作用，维持肠道免疫稳态。杯状细胞分泌的黏液层和潘氏细胞分泌的抗菌肽，共同构成了肠道的生化屏障，保护肠道免受病原体的侵害。

肠道干细胞（ISCs）的稳态对于肠道上皮的持续更新和修复至关重要。Lgr5⁺干细胞位于肠隐窝底部，能够不断增殖分化为各种上皮细胞类型，确保肠道屏障的完整性。

此外，肠道的免疫调节还依赖于肠道固有层中的免疫细胞，如巨噬细胞、树突状细胞（DCs）、T 细胞和 B 细胞等。它们共同识别和清除入侵病原体，同时维持对共生菌群和食物抗原的免疫耐受。肠道微生物群通过产生代谢产物，如短链脂肪酸（SCFAs），调节肠道免疫功能，维持肠道内环境的稳定。

肠道类器官的来源

肠道的发育是一个精确调控的过程，从胚胎早期的简单管状结构逐渐发育为成人的高度特化器官。在这个过程中，内胚层形成原始肠管，随后经过前后轴和背腹轴的模式形成，逐渐分化出胃、小肠和大肠。同时，肠神经嵴来源的祖细胞定植，建立起肠神经系统（ENS）。

近年来，3D 培养技术的发展使得从多种组织中生成类器官成为可能，肠道类器官就是其中之一。根据细胞来源，肠道类器官可分为成人干细胞来源的类器官（ASC 类器官）和人诱导多能干细胞来源的肠道类器官（HiOs）。

ASC 类器官通常来源于小肠或结肠的干细胞，肠隐窝区域是类器官形成的功能单位，其中的 Lgr5⁺干细胞和潘氏细胞发挥着关键作用。这些干细胞在体外能够自我组织形成具有极性的上皮层，并折叠形成类似体内肠道的隐窝 - 绒毛结构。

HiOs 则来源于胚胎干细胞或诱导多能干细胞，通过添加特定的生长因子，可以模拟肠道发育的各个阶段，从受精卵到内胚层，再到中后肠，最终形成肠道类器官。HiOs 不仅包含上皮成分，还包括肠道来源的基质细胞，具有更接近体内肠道的结构和功能。

炎症性肠病的病理生理学

IBD 的主要病理特征是慢性肠道炎症，常伴有肠外表现。CD 的典型病理变化为透壁性炎症、肠隐窝破坏和非干酪样肉芽肿形成；UC 主要影响黏膜层，表现为持续性溃疡、隐窝缺失和非特异性炎症细胞浸润。

除了上述提到的遗传、免疫和微生物因素外，IBD 的发病还与肠道屏障功能受损密切相关。IBD 患者的 IECs 结构和功能受损，导致肠道屏障功能下降，细菌和毒素易进入体内，引发炎症反应。同时，肠道蠕动功能障碍在 IBD 患者中也较为常见，约 30% 的患者存在此类问题，这与炎症细胞因子对肠神经元的毒性作用有关。

肠道类器官在 IBD 研究中的应用

增强类器官在 IBD 研究中的相关性

为了更好地模拟 IBD 的病理特征，研究人员开发了多种类型的肠道类器官。通过不同的诱导方法，可生成代表不同肠道节段的类器官，以研究区域特异性的生理特征。例如，利用 iPSC 来源的肠道类器官，在免疫因子刺激下，可观察到上皮通透性增加，有效模拟了 IBD 患者的肠道屏障功能受损情况。

此外，2D 气液界面（ALI）培养的类器官与 3D 类器官在功能和形态上存在差异，为研究提供了更多角度。同时，通过与神经嵴细胞共培养，可获得具有增强肠神经元定植的类器官，用于研究 IBD 中的肠神经元病理。为了减少 Matrigel 中细胞因子的干扰，简单成分的非粘性海藻酸盐水凝胶也越来越多地用于类器官培养。

肠道类器官作为研究 IBD 发病机制的模型

利用 iPSCs 生成的肠道类器官为研究 IBD 中肠道上皮细胞的病理变化提供了有力工具。研究发现，IBD 患者来源的 ASC 类器官与对照组相比，单层经典类器官数量减少，假复层结构频率增加，提示干细胞增殖状态受损和干细胞稳态改变可能是 IBD 发病的重要因素。

iPSC 来源的 UC 患者类器官（iHUCO）可再现 UC 的关键病理特征，如增殖受损、杯状细胞减少和上皮屏障完整性破坏。通过对 iHUCO 的研究，发现 CXCL8/CXCR1 信号通路过度激活，为深入了解 UC 的发病机制提供了新线索。

IBD 是一种复杂的多基因疾病，非常早发型 IBD（VEO-IBD）具有独特的临床特征。利用患者来源的原代类器官，研究发现 NOX1 基因的突变与 VEO-IBD 相关，该突变会影响活性氧（ROS）的产生，进而影响上皮 - 腔内微生物的相互作用。

肠道类器官还可用于研究免疫稳态破坏、肠道细菌与上皮细胞的相互作用以及基质细胞在 IBD 发病中的作用。例如，研究发现炎症细胞因子会影响肠道类器官的发育和功能，肠道细菌及其代谢产物可调节肠道干细胞的增殖和肠道修复，基质细胞的改变与 IBD 的炎症和屏障功能障碍密切相关 。

肠道类器官作为 IBD 治疗开发的模型

目前，IBD 的治疗主要包括药物治疗和手术治疗，但这些治疗方法存在诸多局限性。例如，抗 TNF 抗体等药物虽然在部分患者中有效，但存在原发性和继发性无应答的问题，且长期使用可能带来严重的不良反应。手术治疗也不能根治 IBD，还可能导致术后并发症和复发。

类器官技术为 IBD 治疗开发提供了新途径。HiOs 可用于识别和验证 IBD 的治疗靶点，通过与治疗药物直接相互作用，进行高通量药物筛选。例如，研究人员利用 HiOs 构建了 IBD 黏膜损伤和纤维化模型，验证了 IFX 和 SB431542 等药物的疗效。

此外，HiOs 富含肠道干细胞和分化的上皮细胞，可作为治疗干预的细胞来源。研究表明，将 HiOs 移植到结肠炎小鼠模型中，能够有效修复受损的肠上皮，改善小鼠的体重和临床评分。

基因编辑技术与 iPSCs 相结合，为研究 IBD 发病机制和寻找治疗靶点提供了强大的工具。通过构建携带特定基因突变或敲除的类器官模型，可深入研究基因在 IBD 中的作用。例如，利用 CRISPR-Cas9 技术敲除 IL-10RA 等基因，可模拟 IL-10 信号相关的疾病模型 。

肠道类器官还可用于模拟宿主 - 微生物相互作用，开发针对微生物群的治疗策略。通过筛选能够抑制 NF-κB 激活的细菌和代谢产物，有望找到缓解 IBD 炎症的新方法。

现有工程化肠道组织面临的挑战

尽管 iPSC 来源的肠道类器官在肠道生物学和相关疾病研究中具有广泛应用，但仍存在一些局限性。在细胞组成方面，HiOs 往往缺乏神经元、内皮细胞和平滑肌等关键细胞类型，且在形态和基因表达上与原代肠道上皮细胞存在差异，不能完全复制体内肠道的复杂结构和功能。

在培养过程中，肠道类器官的来源细胞可能发生病理变化，影响其在 IBD 研究中的适用性。例如，患者组织来源的干细胞在培养过程中可能积累突变或发生表型改变。

此外，当前的类器官模型缺乏免疫细胞和微生物群，无法完全模拟肠道微生态环境，限制了对肠道微生态及其与宿主相互作用的深入研究。同时，肠道类器官与其他组织的相互作用研究也较少，限制了其在多器官模型中的应用。

总结

干细胞和类器官在 IBD 研究和治疗中具有巨大的潜力。HiOs 和 HCOs 结合转录组学、代谢组学等多组学技术，能够更全面地模拟肠道屏障功能和病理状态，有助于深入理解 IBD 的发病机制。通过跨学科合作，如整合微工程芯片技术，可充分发挥不同模型的优势，推动 IBD 研究和治疗策略的发展，为实现更精准、个性化的治疗提供可能。

尽管 iPSC 来源的 HiOs 目前存在一些局限性，但它们为未来的临床应用奠定了基础，有望改善 IBD 患者的生活质量。持续创新和优化类器官技术，克服当前面临的挑战，将进一步挖掘其在 IBD 研究和治疗中的潜力。