本文是一篇综述，发表于 *Protein & Cell*，题为“Human intestinal organoid models: advancing inflammatory bowel disease research”，作者为 Haifang Wang、Yandong Chen、Hui Liu 等，来自北京大学第三医院临床干细胞研究与生物治疗中心、北京大学衰老相关疾病细胞稳态前沿医学中心及天府锦城实验室。该文系统回顾了肠道类器官在炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）研究中的构建策略、应用进展、挑战与前景。
IBD 是一种以长期、复发性肠道慢性炎症为特征的疾病，主要包括溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC）和克罗恩病（Crohn’s disease, CD）。截至 2019 年，全球约有 490 万 IBD 患者，且发病率逐年上升。传统研究模型如二维细胞系（Caco-2、HT-29、T84）和动物模型虽有一定贡献，但缺乏三维结构、细胞多样性及细胞-基质相互作用，且动物与人之间的差异限制了研究结论的转化。因此，肠道类器官作为一种能部分模拟来源组织结构与功能的三维培养体系，为 IBD 研究提供了新平台。
本文首先回顾了类器官的起源与发展历程。从 1907 年海绵细胞再聚集实验的早期观察，到 1975 年人角质形成细胞长期培养体系的建立，再到 1981 年小鼠多能干细胞分离以及 2006–2007 年诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）技术的出现，类器官研究逐步具备细胞来源基础。1987 年，Mina Bissell 团队首次利用水凝胶进行三维细胞培养，观察到乳腺上皮细胞在细胞外基质样环境中形成球状结构并进行功能分化，为类器官培养提供了关键技术支持。2007 年 Hans Clevers 实验室鉴定 Lgr5 阳性细胞为小肠和结肠干细胞，并于 2009 年成功建立具有隐窝-绒毛样结构的小肠类器官，标志着肠道类器官研究进入新阶段。
在肠道类器官构建方面，本文总结了三个关键要素：再生性干细胞、适宜的细胞外基质以及富含生长因子和小分子的培养基。成体干细胞（adult stem cell, ASC）来源主要为 Lgr5 阳性肠干细胞；此外，簇细胞（tuft cells）和间充质干细胞（mesenchymal stem cells, MSCs）也具有形成类器官的潜力。多能干细胞（pluripotent stem cells, PSCs）可依次通过 activin A 诱导内胚层、Wnt3a 和 FGF4 介导后肠特化，再在三维环境中自组织为肠道类器官。基质方面，最常用的是来源于小鼠肉瘤的 Matrigel，但其成分不确定、批次差异大且存在动物源性免疫原性风险，因此合成细胞外基质如聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）及其衍生物、海藻酸盐等受到关注。合成基质具有可调性、成分明确及便于临床转化的优点，但刚度过高的问题仍需通过水解或光解方式调节。培养基方面，小鼠肠道类器官在表皮生长因子（epidermal growth factor, EGF）、Noggin、R-spondin 和 Wnt 的存在下即可形成；人肠道类器官培养还需前列腺素 E2 和 ROCK 抑制剂 Y-27632 等因子以减轻失巢凋亡。此外，通过添加 RANKL 可以促进 M 细胞分化，添加 IL-4/IL-13 可以富集簇细胞。
在 IBD 病理机制研究中，肠道类器官已被用于探讨上皮屏障功能障碍、上皮-免疫相互作用、潘氏细胞异常、内质网应激和基因突变等关键领域。IBD 患者来源的结肠类器官表现出紧密连接蛋白（如 ZO-1、occludin、claudin-1）下调；用炎症因子处理非 IBD 供体来源类器官也可诱发类似 IBD 的屏障损伤表型。不过，患者来源组织常取自形态正常的“健康”手术切缘，可能因患者整体状态或遗传背景而存在分子改变，异质性问题仍然突出。在上皮-免疫相互作用方面，早期研究主要通过细胞因子刺激类器官或与循环免疫细胞共培养建立初步模型，随后发展为将自体组织驻留记忆 T 细胞（tissue-resident memory T cells, TRMs）整合入类器官，以及将多能干细胞分化的巨噬细胞与肠道类器官共培养，从而更真实地模拟肠道免疫微环境。
在潘氏细胞异常方面，IL-22 被发现能直接调控潘氏细胞特化；炎症可通过损伤线粒体功能使 Lgr5 阳性干细胞异常分化为功能失调的潘氏细胞，而抑制糖酵解可恢复干细胞微环境功能并逆转病理分化。此外，硫唑嘌呤被证实在类器官模型中通过增强线粒体氧化磷酸化、促进上皮向潘氏细胞谱系分化而缓解回肠克罗恩病。内质网应激研究中，GRP78 在 IBD 类器官中基础表达降低，提示蛋白折叠能力受损；ATF6 在 CD 患者类器官中持续激活，抑制 ACSL1 或 CSNK2B 可阻断其促炎信号传导；GSDMB 则通过上调 BHLHA15 表达使未折叠蛋白反应过度活化，破坏肠屏障功能。
在基因突变方面，类器官可从携带特定单基因突变的 IBD 患者中直接建立，也可通过基因编辑构建具有特定遗传背景的模型。一项涉及 94 例儿童 IBD 患者肠道上皮类器官的研究揭示了不同单基因变异（如 TTC7A、LRBA、STXBP2、IL10RA、BTK）在转录水平上具有共同通路变化，尤其是 IL-1 信号和 SLC30 介导的锌转运的共同上调。ERAP2 作为一种缺乏小鼠直系同源基因的 IBD 易感基因，也通过基因型确定的人类结肠类器官得到功能解析。
在应用层面，类器官在疾病建模、再生医学、药物筛选和个性化医疗方面均有重要价值。患者来源类器官能保留供体遗传特征，并可表现出炎症表型；但培养成功率随组织病变程度升高而显著下降，重度病变组织成功率极低，提示该模型更适用于非病变或轻度病变状态的模拟。炎症表型可在健康供体来源类器官中通过 TNF-α、IFN-γ 和 IL-1β 等细胞因子诱导，但所用浓度常远高于生理水平，单靠炎症因子难以完全再现 UC 的病理生理状态。此外，Qu 等建立了八因子培养体系以模拟损伤后上皮再生中的增殖隐窝形成；Laudadio 等和 Rodansky 等利用 TNF-α 与 TGF-β1 共处理构建了肠纤维化模型。
再生医学方面，类器官移植在临床前研究中显示出修复受损肠上皮的潜力。早期研究将分离的肠上皮或类器官移植到去黏膜的肠段，观察到新生黏膜形成并分化为多种细胞谱系。Yui 等首次证明体外扩增的结肠类器官可在 DSS 结肠炎模型中再生受损结肠上皮。对于 CD 这类跨壁损伤的疾病，单纯上皮类器官移植不足，需整合间充质、免疫等非上皮成分。已有研究利用多能干细胞分化为含上皮和间充质成分的类器官，或通过 OCTOPUS 平台改善营养输送以获得更成熟的类器官。Poling 等将人多能干细胞来源的类器官移植至免疫缺陷大鼠小肠跨壁损伤处，证实其可整合多种细胞类型并形成血管，为 CD 细胞治疗提供了理论基础。但仍存在缺少血管和淋巴系统、长期传代导致基因突变与干性下降、免疫排斥和肿瘤发生风险、递送系统优化等问题。
药物筛选方面，患者来源类器官可部分反映个体对药物的反应。早期研究显示 5-ASA、糖皮质激素和抗 TNF 药物可部分逆转 IBD 类器官的炎症表型；tofacitinib 在炎症因子诱导的人 iPSC 来源结肠类器官中可抑制炎症因子产生并恢复结肠上皮标志物表达。然而，高成本、低通量和类器官性状一致性差严重限制了其药物筛选应用。
本文还系统讨论了肠道类器官在 IBD 研究中的挑战。标准化和可重复性方面，供体差异和实验变量共同构成异质性来源；不同培养基成分和培养方式（如传统浸没培养与气液界面培养）显著影响类器官表型。高成本主要源于重组细胞因子和 Matrigel 的昂贵价格，且 Matrigel 批次不稳定进一步削弱了药物筛选的稳健性。此外，传统类器官缺乏免疫细胞、成纤维细胞、内皮细胞、神经末梢和微生物群，无法完全复现 IBD 的多因素微环境。缺少血管网络导致类器官尺寸受限并出现中心坏死；器官芯片微流控系统可通过流体剪切力和循环机械拉伸改善类器官结构和屏障功能。长期培养会引起 DNA 甲基化和组蛋白修饰的改变，造成“分子漂移”，使其逐渐偏离真实组织生理状态。在慢性炎症建模方面，短期细胞因子刺激无法模拟 IBD 的反复发作和慢性炎症累积效应。操作与通量方面，类器官包埋在基质中给药物递送、实时成像和单细胞分离带来困难；声学操控平台和微流控与脱细胞基质结合等新技术正在改善成像效率和样本均一性。
本文指出人类肠道类器官为 IBD 研究提供了更接近真实生理与病理状态的体外平台，有望推动发病机制解析、药物筛选和个性化治疗。但类器官不能孤立使用，未来须与三维生物打印、单细胞测序、微流控和机器学习等前沿技术融合，以提高其在科学研究和临床转化中的实际价值。该综述的价值在于系统梳理了肠道类器官在 IBD 研究中的技术基础、应用方向与瓶颈，为从事类器官、消化病学和再生医学研究的学者提供了较为全面的知识框架和方法学参考。