【科普】肠道的守护神——肠道干细胞
我们的肠道是一个同心管,在解剖学上讲,从胃到肛门的连续管是由小肠和大肠组成。小肠包括十二指肠、空肠和回肠。肠壁由四层组成:最内的粘膜层(上皮层)、粘膜下层、固有肌层和最外的浆膜层。哺乳动物肠道上皮是单层柱状上皮结构,包含吸收型细胞和分泌型细胞,这两类细胞定义了肠道器官的两个主要功能:分泌功能和吸收功能。分泌型的细胞分泌激素、粘液和抗微生物肽等,对微生物、毒素和抗原等起到重要的屏障防御作用;吸收型细胞的作用是吸收食物中的营养成份。
一、肠道干细胞
在肠道中,突起的肠绒毛之间存在一些内陷,称为隐窝。肠道干细胞则位于隐窝基底位置,与潘氏细胞相间排列。Barker等人在2007年发现一类肠道干细胞特异性标志物Lgr5,自此为肠道干细胞的相关研究提供了干细胞体内追踪的研究策略,即谱系追踪策略。这是一种通过对一类细胞的特异性标志基因进行标记从而揭示其后代细胞命运的技术,极大地促进了我们对肠道干细胞的理解。
二、肠道干细胞可塑性
研究者发现当发生肠道急性损伤导致Lgr5阳性肠干细胞缺失时,肠道会触发再生反应以恢复自我更新。在干细胞损伤期间,隐窝的细胞是高度动态的,来自不同谱系存活的非肠干细胞可以回到隐窝基底的位置,在那里它们可以恢复到表达Lgr5的干细胞状态。此时,新的干细胞开始快速增殖来补偿丢失的细胞数量,使得肠隐窝细胞数量发生短暂扩增以及随后产生隐窝裂变来重新填充肠道组织受损的部位。
三、肠道干细胞与其微环境
如前所述,肠道干细胞位于隐窝的底部,在小肠中与潘氏细胞相邻。在那里,肠道干细胞被含有各类信号因子的环境所包围,同时与肠上皮顶端接触到的菌群代谢物和食物营养素组成的外环境,共同塑造了肠干细胞的上皮侧微环境。与此同时,在肠上皮下层存在的众多微环境细胞(包括基质细胞及免疫细胞等)共同构筑了基底侧微环境。该微环境的细胞群产生信号通路相关配体和可溶性细胞因子、趋化因子和生长因子,调节干细胞的行为。一些关键信号通路如Wnt和R-spondin信号对肠道干细胞的自我更新和增殖至关重要,而BMP信号平衡着干细胞的维持或分化命运。其中,分化后没有向上迁移而是定居在隐窝底部的潘氏细胞产生的微环境因子是维持邻近干细胞干性的必要信号。此外,Yilmaz等人的研究还提出潘氏细胞还可能是肠道干细胞感受外界营养的“传感器”,以感受器的方式促进干细胞行使正常功能。
四、肠道干细胞与类器官
Sato等人在2009年建立了一种称为类器官的3D培养方法。这种三维培养技术使成年哺乳动物干细胞显示出其显著的自组装特性,所产生的肠上皮细胞有极性地有序排列,具有类似隐窝、绒毛样的结构域,包含肠上皮中的主要细胞类型,并保留了营养吸收和屏障功能等功能性特征。在该系统中,肠道隐窝甚至单个Lgr5阳性干细胞可以在Matrigel基质上用包括R-Spondin1、Noggin和EGF等微环境因子的培养基形成肠类器官,并能进行长期培养。值得注意的是,肠类器官只包含上皮组织的细胞类型,不包含肠道内基底组织等微环境细胞,但可以通过与基质细胞、免疫细胞共培养等方式对肠类器官进行优化。
肠道类器官可以用来模拟肠道器官的发育以及肠道疾病的病理过程,肠道类器官技术已经被应用在多个肠道相关疾病研究中。有研究表明,肠腺瘤中的Lgr5阳性细胞可产生所有其他腺瘤细胞类型。因此,类器官培养系统已成为探索肿瘤生物学的一种有希望的新工具。全外显子基因组测序表明,结直肠癌肿瘤细胞的突变谱和拷贝数变化在类器官中得到了忠实的再现。另外,我们的肠道因为其所处的微环境不断受到细菌和毒素的挑战,其不可控性和复杂性使得利用动物模型在体内模拟该病理过程有很多的限制因素和不确定性。利用类器官技术模拟细菌与肠上皮细胞的相互作用或毒素诱导的肠上皮损伤,相比动物模型更容易操作。同时可以消除人与动物之间的差异,更具代表性。
此外,肠道类器官在再生医学领域具有广泛的应用。类器官还可以用于构建肠道遗传疾病模型,患者来源的类器官有望实现个性化的药物预测,基于类器官的细胞移植可以补充受损肠上皮,类器官还可与基因编辑技术相结合用于基因治疗等(图4)。
五、肠道干细胞与疾病
肠道干细胞作为肠道更新和维持的重要角色,与许多疾病的致病机理密切相关。目前越来越多的研究将肠道疾病与干细胞缺陷联系起来,为我们能更好的理解和治疗肠道疾病提供了更多的维度和可能性。
参考文献
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