从干细胞到人类结肠类器官

根据辛辛那提儿童多能干细胞研究中心主任James Wells博士的说法，这意味着距离功能性人造胃肠道（gastrointestinal，GI）组织移植不远了。

“GI道结肠疾病相当普遍，包括结肠炎、结肠癌、肠易激综合症、Hirschsprung氏病、息肉综合征等，”Wells说。“但是相关疾病研究一直受限，动物模型并不能精准地重现人类胃肠道疾病过程。”

重建GI道
自2009年以来，Wells实验室发表多篇文章，报道利用人类多能干细胞（human pluripotent stem cells，hPSCs）诱导胚胎时期携带神经系统功能的小肠（small intestines）、胃窦（antrum）和胃底（fundus regions）等人体组织。

本文第一作者Jorge Munera指出实现从hPSCs分化为胃和小肠已经彻底改变了GI道发育和疾病研究。然而，盲肠（cecum）和结肠（colon）更具挑战。

挑战之一是需要正确识别hPSCs诱导生成结肠类器官的遗传和分子编程，而现实情况是结肠胚胎发育数据相对匮乏。为了解决这个问题，研究人员在动物模型中进行了一系列后肠（hindgut）发育分子和遗传筛选。后肠是发育肠道的一部分，最终生成整个大肠（包括结肠和直肠等）。

他们还深入挖掘了包括GNCPro、TiGER、Human Protein Atlas在内的公共数据库，以确定人类结肠组织分子标记。

科学家首先鉴定出SATB2（special AT-rich sequence-binding protein 2，富含AT序列特异结合蛋白2）是青蛙、老鼠和人类的天然后肠分子标记。SATB2是DNA结合蛋白，有助于细胞核染色体组织构成。青蛙、老鼠和人类SATB2蛋白质序列非常相似。

作者大胆假设，青蛙和老鼠控制SATB2产生的分子信号也适用于SATB2+人类结肠类器官生成。

通过分析青蛙、小鼠和人类干细胞表达图谱，作者注意到BMP（bone morphogenetic protein，骨形态生成蛋白）生长因子信号在肠道SATB2+区活性较高。因此，使用SATB2作为标记，研究人员证实青蛙和老鼠结肠发育区发育需要BMP信号。

向hPSCs内加入BMP蛋白后3天，催生后肠HOX编码激活。随后指导hPSC衍生肠管（hPSC-derived gut tube）成长为人类结肠类器官。HOX中包括一组控制胚胎从头到脚发育的重要基因。HOX有助于控制SATB2+人类结肠类器官形成。

为了测试该人类GI组织的体内活性，在小儿外科医生Michael Helmrath医学博士带领下，该组织工程结肠类器官被植入一只10周大的免疫系统受损伤小鼠肾囊（kidney capsules）内。 研究人员在活体组织内重点寻找后肠区分泌细胞，该细胞能分泌人类结肠激素。报告指出，人类结肠类器官移植后，在小鼠体内经历了形态发生和组织成熟，展现出人类结肠组织分子、细胞和形态学特性。

除了结肠疾病机理研究以外，该系统还可用于健康人和患者肠道微生物研究，同时也是新药临床前测试的潜在新平台。

人工肝脏，又近一尺！