类器官提供细胞,芯片开放肠腔表面

哈佛大学维斯研究所(Wyss Institute)等团队将十二指肠活检来源的类器官与双通道芯片结合,建立原代人小肠模型。类器官先扩增上皮细胞,再用于芯片中的连续上皮层。

上通道容纳类器官来源的肠上皮,下通道容纳人肠微血管内皮,中间为多孔柔性膜。两通道分别灌流;上皮顶端面向流动培养液,可直接取样,也可接触从肠腔侧输入的物质。

内皮共同培养使上皮更快形成连续层:类器官片段单独培养约需 6 天,加入内皮后约需 2 天。后续实验采用流动和周期性拉伸,并在第 8 天切换为分化培养条件。

屏障与细胞组成在同一模型中验证

芯片中形成绒毛样突起和极化上皮,吸收细胞、杯状细胞、肠内分泌细胞及潘氏细胞的相关标志均可检测。移除流动后,即使继续周期性拉伸,也未观察到同样的上皮折叠变化。

荧光染料 Lucifer Yellow 用于测量上皮到下通道的旁细胞通透性。在这组培养设计中,屏障维持至第 12 天;3 名供者的芯片都出现相似的屏障形成趋势。

消化酶和黏液分泌补充形态观察

团队向上通道加入 30 mM 蔗糖,通过流出液中的葡萄糖量评价蔗糖酶—异麦芽糖酶活性,以甘露醇作为不被该酶水解的参照。酶活性随第 4 至第 12 天分化过程升高,3 名供者均有相应变化。

第 12 天收集的上皮侧流出液中,黏蛋白 MUC2 浓度约为 Caco-2 芯片的 10 倍,显示两种模型分泌功能的差别。

3 名供者小肠芯片的屏障、蔗糖酶活性及 MUC2 分泌比较。

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3 名供者小肠芯片的屏障、蔗糖酶活性及 MUC2 分泌比较。(Magdalena Kasendra et al. / Scientific Reports, 2018, Fig. 7;CC BY 4.0)

转录组比较定位模型更接近哪段肠道

在一致的扩增与分化时间下,研究比较 3 名供者的芯片与原类器官,并加入人体十二指肠及既有 Caco-2 体系资料。芯片和类器官整体上都比 Caco-2 模型更接近十二指肠;芯片在消化、营养反应和药物转运相关基因集合中更接近原组织。

全转录组与人体十二指肠的相关系数,芯片为 0.6540,类器官为 0.6361;论文报告两者差异有统计学意义。相关性评价与染料通透性、酶活性、黏液测量共同描述了模型表现。

这项研究完成的是组织功能和模型比较,未直接测定一组口服药的吸收率。作者将药物递送、疗效和毒性评价列为后续用途。芯片中的绒毛样结构也尚未完全重现正常肠道的绒毛与隐窝分区。

来源与延伸阅读

  1. Development of a primary human Small Intestine-on-a-Chip using biopsy-derived organoids. Scientific Reports. 2018. doi:10.1038/s41598-018-21201-7 ↗