小腸類器官（SIOs）作為研究腸道生物學(xué)的體外模型，能在排除干擾因素的情況下探究生物調(diào)節(jié)劑對原代上皮細(xì)胞的直接影響，不過現(xiàn)有培養(yǎng)條件下的人類小腸類器官（hSIOs）仍存在不足，細(xì)胞類型多樣性和三維結(jié)構(gòu)無法完全模擬人體小腸組織，尤其難以產(chǎn)生大量出芽結(jié)構(gòu)，成熟潘氏細(xì)胞稀少甚至缺失，其分化機(jī)制也有待揭示。在此背景下，” Optimized human intestinal organoid model reveals interleukin-22-dependency of paneth cell formation”揭露IL - 22 通過 PI3K/AKT/mTOR 軸誘導(dǎo)潘氏細(xì)胞分化，為腸道疾病治療提供潛在靶點(diǎn)。
    此前， IL-22 在腸道生理病理中的作用存在諸多爭議，其對腸道干細(xì)胞及組織再生的影響尚無定論，研究人員通過優(yōu)化人類小腸類器官（hSIO）培養(yǎng)體系，精準(zhǔn)探究 IL-22 對各類上皮細(xì)胞，尤其是對小腸干細(xì)胞和潘氏細(xì)胞的作用機(jī)制，明確 IL-22 雖不促進(jìn)腸道再生，但卻是潘氏細(xì)胞形成的關(guān)鍵誘導(dǎo)因子，本文建立的優(yōu)化培養(yǎng)方案，可使 hSIO 形成大量帶成熟潘氏細(xì)胞的出芽結(jié)構(gòu)，模擬人體小腸隱窩的細(xì)胞異質(zhì)性和分化動(dòng)態(tài)，為研究腸道生理病理提供了更有效的模型，推動(dòng)了腸道疾病機(jī)制研究和潛在治療靶點(diǎn)的探索。
    潘氏細(xì)胞是腸道先天免疫的重要組成部分，其分泌的抗菌肽不僅能直接抵御病原體，還參與調(diào)節(jié)腸道的免疫平衡。在機(jī)體受到病原體感染時(shí)，潘氏細(xì)胞分泌的抗菌肽可以限制病原體的生長和擴(kuò)散，減少炎癥反應(yīng)的發(fā)生，潘氏細(xì)胞給小腸干細(xì)胞提供必要的生態(tài)位信號(hào)，激活相應(yīng)的細(xì)胞信號(hào)通路，維持小腸干細(xì)胞的正常功能，促進(jìn)上皮細(xì)胞的更新和修復(fù)，保障小腸類器官的正常發(fā)育。
 
傳統(tǒng)hSIO培養(yǎng)方案的缺點(diǎn)：
1、細(xì)胞組成和功能模擬不完整：
前體細(xì)胞比例過高，難以自發(fā)產(chǎn)生潘氏細(xì)胞等功能性細(xì)胞、無法完整模擬體內(nèi)小腸組織的細(xì)胞組成和功能特征。
2、 干細(xì)胞自我更新與分化失衡 ：
難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞自我更新和多向分化，在增殖能力和細(xì)胞多樣性之間難以平衡，可能導(dǎo)致篩選結(jié)果不準(zhǔn)確，無法真實(shí)反映藥物對正常腸道組織的作用，因?yàn)樗幬飳Σ煌?xì)胞類型的影響在失衡的培養(yǎng)體系中無法準(zhǔn)確體現(xiàn)。
3、 培養(yǎng)條件復(fù)雜且均一性差：
部分培養(yǎng)方案步驟繁瑣，需要分步驟進(jìn)行分化，操作復(fù)雜，不利于大規(guī)模培養(yǎng)和高通量實(shí)驗(yàn) ，導(dǎo)致類器官培養(yǎng)的效率和可重復(fù)性不佳。
 
IL-22—誘導(dǎo)潘氏細(xì)胞分化的關(guān)鍵因子:
IL-22（IL-22）在腸道生理病理過程中扮演著復(fù)雜且存在爭議的角色，它由免疫細(xì)胞產(chǎn)生并作用于上皮細(xì)胞，在腸道再生、屏障保護(hù)等過程，但在炎癥性腸病（IBD）中的作用尚未明確 。研究者通過開發(fā)兩步培養(yǎng)法，模式化培養(yǎng)hSIO，利用單細(xì)胞RNA（scRNA-seq）測序發(fā)現(xiàn)兩步法能重現(xiàn)人體小腸小腸隱窩的細(xì)胞異質(zhì)性和分化動(dòng)態(tài)。創(chuàng)建三敲入報(bào)告細(xì)胞系（如DEFA5-IRES-DsRed、CHGA-IRES-iRFP670、MUC2-mNeonGreen） 借助活細(xì)胞成像儀與共聚焦協(xié)同觀測到添加IL-22后潘氏細(xì)胞出現(xiàn)，且主要位于芽基部，與體內(nèi)小腸隱窩的位置相符。
IL-22不利于hSIO長期培養(yǎng)
scRNA-seq對比添加和不添加IL-22的成熟培養(yǎng)基中培養(yǎng)的hSIO，發(fā)現(xiàn)IL-22能增加ISC（腸道干細(xì)胞）比率，減少活細(xì)胞總數(shù)，IL-22在hSIO的長期培養(yǎng)中具有有害作用，不促進(jìn)細(xì)胞增殖。 減少了類器官出芽并增加了細(xì)胞死亡，表明 IL-22 在 hSIO 的長期培養(yǎng)中具有有害作用。
顯微鏡下腸道干細(xì)胞的形態(tài)  
PI3K （LY294002）、AKT （MK-2206）、Rapamycin（mTORi）三種抑制劑，研究者發(fā)現(xiàn)Rapamycin（mTORi）幾乎完全阻斷了IL-22誘導(dǎo)的潘氏細(xì)胞分化。
PI3K/AKT/mTOR 軸介導(dǎo) IL-22 下游的人潘氏細(xì)胞分化的機(jī)制 活細(xì)胞成像如何改寫研究范式
荷蘭Hubrecht研究所的Clevers團(tuán)隊(duì) 利用活細(xì)胞成像，連續(xù)72小時(shí)捕捉了腸道類器官從單細(xì)胞到空腔結(jié)構(gòu)的全過程。他們發(fā)現(xiàn)， Wnt信號(hào)通路激活驅(qū)動(dòng)了隱窩-絨毛結(jié)構(gòu)的自發(fā)形成，這一過程此前僅能通過理論推測。 通過延時(shí)成像，團(tuán)隊(duì)首次觀察到特定細(xì)胞群的定向遷移和極性建立，為腸道發(fā)育異常疾病（如先天性巨結(jié)腸）提供了機(jī)制線索。
技術(shù)路線圖 技術(shù)亮點(diǎn)：
1、采用低光毒性光片顯微鏡（Light-sheet microscopy），減少長期成像對細(xì)胞活性的影響。
2、結(jié)合熒光報(bào)告系統(tǒng)（Wnt/β-catenin通路熒光標(biāo)記），實(shí)時(shí)可視化信號(hào)傳導(dǎo)路徑。
3、活細(xì)胞成像技術(shù)正將類器官從靜態(tài)模型轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)生命系統(tǒng)的“實(shí)況轉(zhuǎn)播平臺(tái)”。隨著技術(shù)的迭代，我們有望在單細(xì)胞層面解析器官發(fā)育、疾病演進(jìn)和藥物作用的每一幀細(xì)節(jié)。未來，這項(xiàng)技術(shù)或?qū)⒊蔀榫珳?zhǔn)醫(yī)學(xué)的“第三只眼”，照亮從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用的最后一公里。
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Celloger^? 活細(xì)胞成像儀應(yīng)用場景 參考文獻(xiàn)：
He GW, Lin L, DeMartino J, et al. Optimized human intestinal organoid model reveals interleukin-22-dependency of paneth cell formation [published correction appears in Cell Stem Cell. 2022 Dec 1;29(12):1718-1720. doi: 10.1016/j.stem.2022.11.001.]. Cell Stem Cell. 2022;29(9):1333-1345.e6.