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肠道类器官
胃肠道主要由内胚层形成，内胚层形成上皮管，并发展成 3 个不同部分，即前肠、中肠和后肠[1]。前肠产生口腔、咽、呼吸道、胃、胰腺和肝脏。中肠产生小肠和上升结肠。后肠产生结肠的剩余部分或大肠以及直肠。这 3 个结构域的分离涉及对具有前向或后向效应的生长因子的组合反应。Wnt 和 FGF 可抑制前肠命运，代替促进后的命运，形成肠和后肠[2,3]。
对 Wnt 和 FGF 后趋作用的了解为构建人类肠道类器官提供了基础[4]。通过应用激活素 A 来驱动中胚层身份，可以将人类多能干细胞转向后肠身份。随后添加 Wnt3a 和 FGF4 会形成后肠，即肠的前体。虽然这些细胞都是在 2D 条件下培养的，但它们都自发形成了后肠管，然后这些肠管萌芽形成球体，说明这些祖细胞具有出色的自组织能力，这一特性允许它们在特定的环境中生长时能够生成完整的 3D 类器官。Clevers 实验室已经证明，在基质胶中 3D 培养时，成年肠道干细胞(intestinal stem cell,ISC)可能会形成类器官[5]。这些成年的类器官自组织形成 3D 隐窝-绒毛结构，模仿肠道的生理和组织，甚至可以移植到小鼠中[6]。同样，人类多能干细胞产生的后肠球体可以在基质胶 3D 生长条件下生长，进一步发育为成熟的肠类器官[4]。
肠类器官可诱导隐窝-绒毛结构与其他肠道结构(主要细胞谱系的复层上皮[4,5])，包括具有顶端微绒毛刷状边界的柱状上皮肠上皮细胞。此外，细胞分裂发生在绒毛状突起的底部，肠道干细胞可以通过在更先进的类器官中表达富含亮氨酸重复序列 G 蛋白偶联受体 5(leucine-rich repeat-containing G protein-coupled receptor 5,LGR5)来鉴定。这些类器官显示出包括吸收和分泌活性在内的肠道功能。
尽管到目前为止，肠类器官是唯一由多能干细胞产生的，但消化道的其他区域已从成体干细胞发展成为类器官。如已经从成年幽门干细胞[7]或胃的主细胞[8]产生了胃类器官；从成年舌头上皮建立了舌类器官[9]。
图1 内胚层类器官的研究进展（一）
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胃类器官
胃类器官可以由胃组织来源的脂肪间充质干细胞和多能干细胞启动。这两种系统之间的主要区别在于多能干细胞来源的类器官培养中存在间充质细胞。成体干细胞(adult stemcells,ASC)只能从组织来源产生特定的细胞，而多能干细胞天生具有分化为任何细胞类型的能力。因此，多能干细胞来源的类器官需要一个逐步分化的方案来诱导其分化为目标组织，而 ASC 来源的类器官从一开始只需要单一的富含生长因子的培养基。因此，多能干细胞分化为类器官需要30~60天，而 ASC 分化类器官只需要 7~14 天[10]。
以含 LGR5+ 干细胞的胃窦腺为基质，首次建立了小鼠 ASC 来源的胃类器官[7]。该培养方案是在添加 FGF10 和促胃泌素的肠道类器官培养系统的基础上制定的。在胃类器官中观察到主要细胞和颈黏液细胞的标记物。Wnt 浓度降低导致隐窝细胞和内分泌细胞分化，而未见壁细胞[7]。
McCracken等[11,12]首先描述了人类多能干细胞向胃类器官的分化方法。通过添加激活素 A 和 BMP4，将人多能干细胞分化为内胚层。为了产生胃来源的前肠，应用 Noggin 抑制 BMP 信号。将这些细胞嵌入到细胞外基质中，产生 3D 前肠球状体。视黄酸和 EGF 治疗可实现胃窦分化，完全分化需要 34 天左右，产生含有隐窝细胞、颈黏液细胞和肠内分泌细胞的胃窦类器官[13]。为了将前肠进一步分化，添加了 CHIR-99021、EGF 和 FGF10。随后在培养基中添加 BMP4 和丝裂原活化蛋白激酶激酶(mitogen-activated proteinkinasekinase,MAPKK)抑制剂 PD0325901 刺激壁细胞的产生。分化的类器官包含隐窝细胞、颈黏液细胞、内分泌细胞、主细胞和壁细胞[13]。用类似的方法，Noguchi 等人使用逐步分化成功地从小鼠多能干细胞中生成了类器官[14]，将多能干细胞诱导为 EB，并暴露于 Shh、Wnt 拮抗剂 Dickkopf-1(Dkk1) 和 Noggin。Shh 的激活以及 Wnt 信号的抑制使得管状结构的形成成为可能，所产生的球状体与早期的胃状结构相似。在细胞外基质中加人 FGF10，Noggin、WNT 和应答素可在 60 天后形成腺体。与人类多能干细胞来源的人体类器官类似，小鼠多能干细胞来源的类器官包含隐窝细胞、颈黏液细胞、内分泌细胞、头颈细胞和壁细胞[14,15]。
参考来源
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