【科普】腸道的守護神——腸道幹細胞

2021-11-22 17:29:41 管理員 154
俗話說“病從口入” ，飲食會讓我們的腸道不斷受到進食壓力以及細菌和毒素的挑戰 ，這隨時可能破壞腸道功能並產生損傷 。麵對這些損傷壓力 ，腸道中的大部分細胞會持續死亡 ，而腸道中的幹細胞會源源不斷地產生新的細胞 ，進行補充和修複 。因此 ，腸道幹細胞是腸道守護神 ，時刻維持腸道穩態和功能發揮 。

我們的腸道是一個同心管 ，在解剖學上講，從胃到肛門的連續管是由小腸和大腸組成 。小腸包括十二指腸 、空腸和回腸 。腸壁由四層組成 ：最內的粘膜層（上皮層） 、粘膜下層 、固有肌層和最外的漿膜層 。哺乳動物腸道上皮是單層柱狀上皮結構 ，包含吸收型細胞和分泌型細胞 ，這兩類細胞定義了腸道器官的兩個主要功能 ：分泌功能和吸收功能 。分泌型的細胞分泌激素 、粘液和抗微生物肽等 ，對微生物 、毒素和抗原等起到重要的屏障防禦作用 ；吸收型細胞的作用是吸收食物中的營養成份 。

一 、腸道幹細胞

幹細胞促進組織的發育 、更新和再生 ，它們猶如細胞的製造工廠 ，是生物體內細胞自我更新 、補充新生細胞以及應對應激損傷修複的主要來源 。我們的腸上皮有著快速的細胞更新能力 ，大約每3~5天更新一次 ，而新細胞的產生是由腸道幹細胞不斷增殖分化實現的 。腸道幹細胞是各類型腸道細胞的庫來源 ，提供新生力量使腸道始終保持著新鮮的活力 。

在腸道中 ，突起的腸絨毛之間存在一些內陷 ，稱為隱窩 。腸道幹細胞則位於隱窩基底位置 ，與潘氏細胞相間排列 。Barker等人在2007年發現一類腸道幹細胞特異性標誌物Lgr5 ，自此為腸道幹細胞的相關研究提供了幹細胞體內追蹤的研究策略 ，即譜係追蹤策略 。這是一種通過對一類細胞的特異性標誌基因進行標記從而揭示其後代細胞命運的技術 ，極大地促進了我們對腸道幹細胞的理解 。

如圖1所示，經過標記物譜係追蹤研究 ，研究者發現腸道幹細胞產生的過渡增殖細胞（Transit amplifying cell ，TA細胞）是從隱窩底部逐漸向隱窩頂部上移 ，並進一步分化成多種腸道類型細胞 。過渡增殖細胞首先產生分泌祖細胞和吸收祖細胞 ，隨後分泌祖細胞分化為成熟的杯狀細胞 、腸內分泌細胞 、潘氏細胞 ；吸收祖細胞則分化成腸吸收細胞 。分化的成熟細胞最終會遷移到絨毛的頂端逐漸凋亡 ，而後它們被下方新遷移上來的細胞所更替 。
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圖1. 穩態下腸道隱窩模型及腸道幹細胞分化命運 ：處於穩態時 ，腸道幹細胞位於隱窩基底處並逐漸向上遷移分化為成熟細胞(de Sousa E et al. Cell Stem Cell. 2019)

二 、腸道幹細胞可塑性

近年的一些研究提出了一種腸幹細胞的動態模型 ，即腸上皮中的某些細胞類型可以去分化並恢複一些幹性功能（圖2） 。這些細胞類型可以作為腸幹細胞的替代來源 ，在組織損傷 、炎症等情況中發生作用 ，用以補充受損的腸幹細胞 。

研究者發現當發生腸道急性損傷導致Lgr5陽性腸幹細胞缺失時 ，腸道會觸發再生反應以恢複自我更新 。在幹細胞損傷期間 ，隱窩的細胞是高度動態的 ，來自不同譜係存活的非腸幹細胞可以回到隱窩基底的位置 ，在那裏它們可以恢複到表達Lgr5的幹細胞狀態 。此時 ，新的幹細胞開始快速增殖來補償丟失的細胞數量 ，使得腸隱窩細胞數量發生短暫擴增以及隨後產生隱窩裂變來重新填充腸道組織受損的部位 。

在腸幹細胞分化研究中 ，通過Dll1標記的分泌型祖細胞的譜係追蹤 ，發現其不僅可以產生成熟的分泌型後代細胞 ，還可以產生吸收型細胞 。並且在幹細胞大量損傷的輻射處理後 ，其被標記的後代還產生了部分Lgr5陽性的腸幹細胞 ，暗示著分泌型祖細胞不僅有著分化成更多腸道成熟細胞類型的多能性能力 ，還有著去分化返回為腸道幹細胞的能力 。同時 ，其他的細胞類型也被報導具有去分化為腸幹細胞的能力 ，包括Atoh1陽性的潘氏細胞 、Prox1陽性的腸內分泌細胞 、Alpi陽性的吸收型腸上皮細胞 、Ascl2陽性的吸收型祖細胞等 。腸道隱窩細胞的動態可塑性為理解腸道幹細胞庫提供了新的可能 ，也使我們認識到腸道強大的再生能力 。

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圖2. 損傷再生狀態下的腸道隱窩動態模型 ：在發生腸道幹細胞急性損傷時 ，隱窩中的一些非幹細胞向下遷移返回基底處重新獲得幹性（de Sousa Eet al. Cell Stem Cell. 2019）

三 、腸道幹細胞與其微環境

腸道細胞的命運不僅僅由胞內的基因控製 ，還受到周圍微環境信號的影響 ，幹細胞微環境是維持幹細胞自我更新和增殖所必需的信號來源 。腸道幹細胞的微環境包括腸上皮側（腸腔）微環境和基底側微環境 。

如前所述 ，腸道幹細胞位於隱窩的底部 ，在小腸中與潘氏細胞相鄰 。在那裏 ，腸道幹細胞被含有各類信號因子的環境所包圍 ，同時與腸上皮頂端接觸到的菌群代謝物和食物營養素組成的外環境，共同塑造了腸幹細胞的上皮側微環境 。與此同時 ，在腸上皮下層存在的眾多微環境細胞（包括基質細胞及免疫細胞等）共同構築了基底側微環境 。該微環境的細胞群產生信號通路相關配體和可溶性細胞因子 、趨化因子和生長因子 ，調節幹細胞的行為 。一些關鍵信號通路如Wnt和R-spondin信號對腸道幹細胞的自我更新和增殖至關重要 ，而BMP信號平衡著幹細胞的維持或分化命運 。其中 ，分化後沒有向上遷移而是定居在隱窩底部的潘氏細胞產生的微環境因子是維持鄰近幹細胞幹性的必要信號 。此外 ，Yilmaz等人的研究還提出潘氏細胞還可能是腸道幹細胞感受外界營養的“傳感器” ，以感受器的方式促進幹細胞行使正常功能 。

這些微環境信號滋養幹細胞 ，維持腸上皮充分的周轉更新 ，鞏固功能有效的上皮組織與過度生長之間的穩態平衡 。腸上皮側或是基底側的不同微環境因子影響腸幹細胞的活性 ，調控著腸道幹細胞在正常生理條件下的穩態平衡或是損傷狀態下的再生修複過程中的命運 。
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圖3. 腸道幹細胞的微環境 ：腸道幹細胞的命運與其基底側微環境和腸上皮側微環境緊密相關（Santos AJM, et al. Trends Cell Biol. 2018）

四 、腸道幹細胞與類器官

體外細胞培養技術是生物學中常用的研究細胞特點和功能的方法 ，這些技術一直致力於向更貼近體內生理特征的方向上發展 。早在20世紀80年代，研究人員就建立了腸上皮的細胞係 ，僅包含單一的腸上皮細胞類型 。然而 ，由於腸上皮細胞的多樣性和複雜性 ，細胞係不能準確研究腸上皮的功能 。隨後1992年研究者報道了乳鼠原代腸上皮細胞體外3D培養的方法 。經過這些方法的改進 ，可以成功地培養人類胎兒來源的腸上皮 。然而 ，這些方法僅能在體外培養原代細胞2周 ，無法完全模擬腸上皮細胞的長期更新 。

Sato等人在2009年建立了一種稱為類器官的3D培養方法 。這種三維培養技術使成年哺乳動物幹細胞顯示出其顯著的自組裝特性 ，所產生的腸上皮細胞有極性地有序排列 ，具有類似隱窩 、絨毛樣的結構域 ，包含腸上皮中的主要細胞類型 ，並保留了營養吸收和屏障功能等功能性特征 。在該係統中 ，腸道隱窩甚至單個Lgr5陽性幹細胞可以在Matrigel基質上用包括R-Spondin1 、Noggin和EGF等微環境因子的培養基形成腸類器官 ，並能進行長期培養 。值得注意的是 ，腸類器官隻包含上皮組織的細胞類型 ，不包含腸道內基底組織等微環境細胞 ，但可以通過與基質細胞 、免疫細胞共培養等方式對腸類器官進行優化 。

腸道類器官可以用來模擬腸道器官的發育以及腸道疾病的病理過程 ，腸道類器官技術已經被應用在多個腸道相關疾病研究中 。有研究表明 ，腸腺瘤中的Lgr5陽性細胞可產生所有其他腺瘤細胞類型 。因此 ，類器官培養係統已成為探索腫瘤生物學的一種有希望的新工具 。全外顯子基因組測序表明 ，結直腸癌腫瘤細胞的突變譜和拷貝數變化在類器官中得到了忠實的再現 。另外 ，我們的腸道因為其所處的微環境不斷受到細菌和毒素的挑戰 ，其不可控性和複雜性使得利用動物模型在體內模擬該病理過程有很多的限製因素和不確定性 。利用類器官技術模擬細菌與腸上皮細胞的相互作用或毒素誘導的腸上皮損傷 ，相比動物模型更容易操作 。同時可以消除人與動物之間的差異 ，更具代表性 。

此外 ，腸道類器官在再生醫學領域具有廣泛的應用。類器官還可以用於構建腸道遺傳疾病模型 ，患者來源的類器官有望實現個性化的藥物預測 ，基於類器官的細胞移植可以補充受損腸上皮 ，類器官還可與基因編輯技術相結合用於基因治療等（圖4） 。

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圖4. 腸道類器官的應用 ：腸道類器官在腸道疾病病理研究和再生醫學領域具有廣泛的應用
（Zhao Q, et al. J Genet Genomics. 2020）

五 、腸道幹細胞與疾病

腸道相關的常見疾病包括炎症性腸病 、短腸綜合征 、腸瘺 、結直腸癌和假膜性結腸炎等 。在正常生理穩態條件下 ，我們的腸道黏膜 、免疫係統 、腸道微生物 、營養物質和代謝產物等相互作用而形成動態平衡狀態 。腸道微環境紊亂或是內源性病因會打破穩態平衡導致腸道上皮損傷和病變 。因此腸道幹細胞必須積極發揮再生和修複的功能 ，以補充受損丟失的細胞 。在這個過程中腸道幹細胞需要精準調控增殖和分化之間的平衡 。當腸幹細胞的自我更新能力失去調控 ，過度增強 ，可能會引起幹細胞及其子代細胞的生長不受調控限製 ；另一方麵當腸幹細胞分化過程受到抑製 、或者發生障礙時, 細胞增殖能力也可能會變強 。這兩種情況都能引起增生性疾病特別是腫瘤疾病 ，如結腸癌 、直腸癌等 。相反 ，當腸幹細胞自我更新能力減弱或發生障礙, 幹細胞提前老化無法補充新的幹細胞, 導致幹細胞數量減少 ， ，從而使組織器官的功能細胞因缺失補充細胞而減少 ；另一方麵如果幹細胞分化發生障礙, 也會導致組織器官的功能細胞減少 。當功能細胞的形成數量不能滿足組織器官的耗損, 最終導致組織器官更新與修複不全, 會引起組織器官衰竭 。最近的一項研究揭示了腸道幹細胞中基因組不穩定性會引發幹細胞壞死 ，從而導致自發性的腸道炎症的機製 。這項研究提示以腸幹細胞壞死為靶點可能是治療重度炎症性腸病的一種方法 。

腸道幹細胞作為腸道更新和維持的重要角色 ，與許多疾病的致病機理密切相關 。目前越來越多的研究將腸道疾病與幹細胞缺陷聯係起來 ，為我們能更好的理解和治療腸道疾病提供了更多的維度和可能性 。


參考文獻

1.de Sousa E Melo F, de Sauvage FJ. Cellular Plasticity in Intestinal Homeostasis and Disease. Cell Stem Cell. 2019;24(1):54.

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