微生理2D和3D水性肠体外模型：当前进展与未来应用

《Fish & Shellfish Immunology》：Microphysiologic 2D and 3D aquatic intestinal in vitro models: current advancements and future applications

　　• 开发精确的鱼类肠道模型可以减少活体动物的使用• 鱼类肠道模型可用于研究免疫/屏障功能、肠道病原体和共生菌群• 需要了解鱼类肠道干细胞和生长因子信息以推动该技术的发展• 必须将细胞系/模型扩展到更多物种以捕获鱼类类群的多样性**引言**脊椎动物胃肠道系统在多种功能中发挥着至关重要的作用，涵盖从营养吸收到局部和全身免疫。它同时也是外部环境之间的重要屏障，从而减轻病原体的侵入。鉴于肠道在结构和功能上的复杂性，体内外模型历来是全面病理生理学肠道研究的首选方法。虽然活体动物模型对生物学研究至关重要，但它们存在固有的缺点，包括在不使用侵入性操作的情况下难以操控和追踪肠道内的实时状态。对于活体动物的其他考虑因素还包括获取动物和维护适当动物健康与护理设施所需的时间和费用，以及动物生命的直接成本。为减轻这些成本，生物学领域强调使用3R原则（替代、减少和优化）来促进有效的体外模型开发，其中细胞培养是从体内向体外模型系统过渡的核心方法。这些系统可用于回答黏膜免疫学中的许多问题，包括屏障防御、免疫和基质细胞对共生微生物和致病微生物的反应，以及肠道疾病病理学。虽然体外肠道模型系统主要用于研究哺乳动物，但其在鱼类研究中的应用正在不断扩大。与哺乳动物模型类似，这些体外系统可以提供关于水产养殖中与新饲料、补充剂或环境条件变化相关的潜在负面影响的见解。目前鱼类肠道体外模型的应用包括了解肠道对环境重金属摄入[1]、异源物代谢[2]以及水产养殖实践中饲料变化[3]的反应和改变。随着鱼类肠道细胞培养方法和模型的不断完善，应用范围也可扩展到肠道微生物组相关的黏膜健康和免疫学研究、宿主与病原体的相互作用以及肠道病原发生学，而无需使用活体鱼类模型，从而减少动物生命的直接成本。本综述将重点介绍鱼类肠道体外模型的当前应用及其如何应用于未来鱼类黏膜免疫研究，并就水生无脊椎动物肠道建模的未来应用进行评论，以改善健康和提高抗逆性。**鱼类黏膜免疫**脊椎动物肠道黏膜持续暴露于食物和微生物（包括共生和致病微生物）中的外源抗原，使肠道屏障完整性成为首要的防御机制。杯状细胞产生的黏液可防止上皮细胞与外界病原体和抗原直接接触[4]，从而最大限度地减少肠道病原发生和肠道细胞损伤。此外，局部黏膜免疫网络必须既与共生微生物维持稳态，又……**原代细胞培养与细胞系简介**细胞培养——即在受控的2D环境中培养、扩增和研究动物细胞——是肠道体外模型系统的基础。原代细胞培养是从目标组织中直接获取的细胞群体，因此反映了原始组织中存在的异质性和细胞生理功能[15]。因此，与细胞系（下一节讨论）相比，原代肠道细胞培养可以提供更大的体内模拟效果……**Transwell系统简介**虽然基于平板的培养系统相对容易建立和维护，但固体基质仅允许简单的单室（腔室）设计，因此缺乏基底侧。为克服这一局限性，Transwell系统可用于更好地复制顶端和基底侧隔室，更准确地模拟细胞间相互作用以及这两个隔室之间的细胞迁移/溶质转运。Transwell系统是一种由多孔膜分隔的双室装置……**类球体简介**虽然2D细胞培养在费用、维护和时间投入方面具有优势（图1），但固体基质阻碍了动态的3D细胞间和细胞-细胞外基质（ECM）相互作用，从而限制了细胞成熟和功能的准确复制。因此，3D细胞培养模型有可能更好地复制器官特异性细胞生态位，产生更好地模拟体内条件的细胞间信号传导和成熟过程。类球体是自我组装的细胞聚集体……**类器官简介**与类球体不同，类器官能够更好地复制器官的结构复杂性、形态和细胞异质性。类器官是组织特异性、干细胞衍生的、自组织且自我增殖的3D细胞簇，模拟特定器官的体内结构和功能[73]。用于类器官发育的干细胞示例包括胚胎干细胞、诱导多能干细胞和成体干细胞。在类器官形成过程中，干细胞与各种生长因子结合……**芯片上的肠道系统简介**与Transwell系统类似，芯片上的肠道（GoAC）系统可以模拟肠上皮细胞与腔室和血管的界面。与Transwell类似，顶端隔室代表肠道腔，基底侧隔室代表全身血管系统，两者之间由种植了目标细胞的多孔膜分隔。除了通过使用不同隔室模拟腔室-血管解剖结构外，GoAC还可以整合真空泵来帮助模拟肠道收缩……**未来应用：贝类肠道建模**贝类是全球粮食安全、经济发展和生态平衡的重要组成部分，然而研究贝类健康的体外模型仍然非常有限。与脊椎动物类似，无脊椎动物的肠道健康在维持整体生物体稳态中发挥着至关重要的作用。通常，在牡蛎中，肠道由纤毛化的简单柱状上皮细胞组成，黏液产生细胞在肠道中分布不均。血细胞分布于上皮组织中……**推进鱼类体外肠道系统的考虑与建议**虽然3D和微生理鱼类肠道模型系统是胃肠道形态和生理学的强大模型，但这些模型面临一些需要考量的局限性。首先，我们现有的关于肠道干细胞和肠上皮细胞分化标记的知识基于哺乳动物模型。截至本文发表时，肠道干细胞主要在日本青鳉（Oryzias latipes）[101]、斑马鱼[99]、[145]和虹鳟中进行了研究，其中虹鳟……**结论**基于3D和微生理细胞培养系统的肠道模型可以作为有效的体外模型，用于研究鱼类和贝类中与病原体、饲料补充剂、环境胁迫和免疫反应相关的肠道变化。虽然模型固有的局限性以及物种特异性局限仍然存在，但随着对水生脊椎动物和无脊椎动物肠道发育、生理学和免疫学组成的深入了解，肠道体外模型系统将变得更加……**作者贡献**SHK：调查研究、撰写初稿、撰写审阅和编辑。SSL：调查研究、撰写初稿、撰写审阅和编辑。DIB：资金获取、撰写审阅和编辑。NCS：资金获取、指导监督、撰写初稿、撰写审阅和编辑。**资金来源**本工作由戈登和贝蒂摩尔基金会水生系统共生倡议（GBMF9323, DIB, NCS）资助。Stefan H. Keller | Stacia Szafran-Lally | Daniel I. Bolnick | Natalie C. Steinel