小肠是我们从食物中消化和吸收营养物质和矿物质的主要场所，也是发生许多肠道感染和消化和炎症性疾病的地方。为了更好地了解正常和病理状态下的肠道，研究人员通过从人体活检样本中分离肠道干细胞来创造“类器官”。
这些类器官形成人肠中存在的所有细胞类型，但它们生长为由厚的细胞外基质凝胶包围的囊肿，其具有面向封闭腔的“顶端”细胞表面(通常暴露于肠内容物)。这阻止了涉及肠屏障的动态过程的研究，包括营养和药物转运，以及其与微生物组的相互作用。此外，
为了克服这些限制，由其创始总监Donald Ingber博士领导的Wyss生物启发工程研究所的团队之前已经设计了一种微流体“器官在芯片上”(器官)芯片)培养装置，其中来自最初从肿瘤中分离的人肠细胞系的细胞在两个平行的运行通道之一中培养，通过多孔基质涂覆的膜与相邻通道中的人血管衍生的内皮细胞分开。尽管这种人体肠道芯片重建了正常肠道的绒毛上皮细胞，并且能够对流动和循环蠕动如何影响肠道分化和功能有新的见解，但它不能用于研究依赖于个体供体的正常肠细胞的过程，例如，
在科学报告发表的一项新研究中，Ingber的团队现在消除了这些障碍。“我们现在能够利用类器官方法从人体活检中分离出肠道干细胞，但我们打破了器官组织并培养了我们器官芯片内的患者特异性细胞，在这些细胞中，它们会自发形成朝向通道内腔的肠绒毛，上皮与人体肠道微血管内皮紧密相关，“Ingber说，他也是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及哈佛大学约翰的生物工程教授。 A.保尔森工程与应用科学学院(SEAS)。
该团队与波士顿儿童医院的David Breault实验室合作，在他们的程序中建立了一个类器官培养步骤，以分离正常的肠道干细胞并增加其细胞数量。得到的类器官可以存放以备将来使用，或者立即片段化并接种到多个器官芯片的“上皮”通道中，在那里它们通过流动专门的培养基进一步成熟并对通道施加机械刺激以模拟生理蠕动样运动。
因此，结合组织工程领域的两项最先进技术 - 器官培养和器官芯片 - 允许产生由人类供体特异性细胞排列的肠组织和器官水平结构，其形态，组成和功能非常类似于十二指肠正常小肠区域“因为主要的小肠芯片概括了细胞在人体内经历的物理微环境，例如流体流动和循环蠕动样伸展运动，它展示了一种基因组范围内的基因表达谱，它更接近其体内对应物。第一作者Magdalena Kasendra博士是Ingber团队的前博士后研究员，现在是波士顿Emulate公司的首席科学家。
与肠道干细胞一起，研究小组确定了分化的营养物质消化和吸收肠细胞，产生粘液的杯状细胞，分泌激素的肠内分泌细胞，以及微生物组调节和感知Paneth细胞，并且他们进行了一系列测定，证实了它们的功能。由于小肠微环境可以在持续灌注的器官芯片中维持数周，因此它们可以进行短期和长期研究，其观察结果可以与个体捐献者的健康和生理学相关。
Ingber的团队现在正在将相同的方法应用于肠道的不同区域 - 十二指肠，空肠，回肠和结肠 - 其功能和疾病脆弱性彼此不同。通过将其他细胞类型(例如免疫细胞，神经细胞和共生微生物)整合到装置中，该方法还用于逆向工程甚至更复杂的肠环境。“未来，这些努力可以让我们更好地了解人体 - 微生物体的相互作用，模拟营养不良症和肠道炎症性疾病，并进行个性化的药物检测，”联合第一作者Alessio Tovaglieri说，他是该部门的研究生瑞士苏黎世联邦理工学院健康科学与技术专业，负责Ingber团队的论文工作。
标签：肠道生理学
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