突破传统模型：肠道类器官如何革新IBD研究？

简介

炎症性肠病（IBD）以胃肠道的慢性炎症为特征，这种炎症会破坏肠道黏膜屏障^[1,2,3]。迄今为止小鼠模型虽被用于揭示 IBD 涉及的复杂相互作用，却往往难以准确预测人体反应^[1]。近年来类器官已成为疾病建模和药物筛选领域的革命性工具^[4]。这些三维微型器官模型能在体外模拟天然组织的关键特征。传统类器官培养方法需将三维结构包埋于固化的细胞外基质中，导致实验可重复性不足并产生高度异质性的类器官群体^[5]。为突破这些局限，本研究采用创新型 Gri3D 技术——一个即用型高通量、高重复性三维培养平台（图 1、图 2）^[6]。结合 ImageXpress Micro Confocal 共聚焦高内涵成像系统，实现单类器官水平动态监测。我们利用促炎细胞因子在健康人直肠类器官中成功诱导出 IBD 样表型，并证实 Gri3D 可作为稳健、高通量的体外平台，支撑基于类器官的疾病建模研究。

• 阵列化培养：从单细胞悬液出发，在独立非重叠位点培育人直肠类器官阵列。

• 可扩展，适用于高通量。

• 促炎细胞因子可诱导人肠道类器官呈现IBD样病理表型。

• 通过活死细胞检测与定制模块编辑器进行免疫荧光定量，全面评估类器官活性与三维结构完整性。

• 实现规模化、标准化且具备高度可重复性的类器官培养体系。

方法

人类直肠类器官培养于 Gri3D 96 孔成像专用 500 μm 微孔板中（SUN bioscience）。实验以每孔 100 个细胞的单细胞悬液为起始，持续培养 7 天。第 3 天时，添加由 TNF-α 和 IL-1β 组成的促炎因子混合液，并于第 5 天更换新鲜培养液。在持续暴露 96 小时后，进行活死细胞检测，并通过 ImageXpress Micro 共聚焦成像分析系统（Molecular Devices）成像。图像分析使用 IN Carta 图像分析软件完成。随后固定培养样本，进行针对丝状肌动蛋白（F-actin，鬼笔环肽）和细胞核（DAPI）的免疫荧光染色。基于图像的完整筛选流程如图 3 所示。

Gri3D 是一种即用型高通量、高重复性类器官培养平台。该技术基于水凝胶中超密集 U 形底微孔阵列，每个微腔内均可稳定生成单个类器官，并以类悬浮培养方式在没有固态细胞外基质（ECM）的环境中进行生长（如图 3 所示）。

结果

使用 Gri3D 平台培养的人类直肠类器官生长状态稳定。在培养第 3 天形成管腔结构后，类器官暴露于由 TNF-α 和 IL-1β（IBD 关键效应细胞因子）组成的促炎因子混合液中。持续处理 96 小时后，活死细胞检测显示类器官活性下降，具体表现为钙黄绿素 AM 荧光强度降低及单类器官死亡区域增加（图 4）。抗炎治疗药物英夫利西单抗可逆转细胞因子引起的表型变化。随后通过免疫荧光检测评估类器官三维结构（图 5、6）。细胞因子处理导致 F-肌动蛋白信号减弱，该表型经英夫利西单抗处理后得到恢复（图 5B）^[5,6]。局部放大图像显示经处理的类器官中 F-肌动蛋白分布异常（图 6）。我们推测类器官活性受损可能与上皮屏障结构破坏相关。

结论

• Gri3D 作为面向图像化类器官检测的全流程解决方案，能够实现可靠的活性指标读取与表型分析。

• 本研究证明，利用人直肠类器官可在标准化、高通量模式下重现 IBD 的典型病理特征并进行分析。

• Gri3D 技术与高内涵成像系统的结合为疾病发展机制研究提供了新视角。

• 这项创新方法作为一种强大工具，在解决基于患者样本的大规模三维培养与疾病建模关键挑战方面具有重要潜力。