長期以來，腸道上皮細胞（IECs）被認為是代謝和免疫形態的重要調節因子，但是腸道的體外研究一直存在困難。目前尚缺乏理想的腸上皮體外研究模型。細胞系及原代細胞/組織的培養均無法反映腸道的多樣性和復雜性,兩種方法均有諸多缺陷。
 

多數細胞系僅限于培養一種腸上皮細胞亞型，且為了能夠長期培養常常會引入基因修飾。由于原代培養的腸上皮細胞在體外會迅速開始凋亡，盡可在有限的時間內培養；有些特殊類型的細胞在原代培養中分化較差，成活時間短，可獲得的信息非常有限，因此原代培養的應用受到了極大的限制。所以永生化細胞系不得不被廣泛應用于分子及細胞的體外研究中。
 

細胞系本質來源于腫瘤組織，表型和功能與人體內的腸上皮細胞有很大差異（Harwood et al.，2016），因此細胞系僅可作為一種人造的研究模型。
 

許多小腸細胞系不能體現出人小腸上皮細胞的典型特征，比如必需營養轉運蛋白質子偶聯肽轉運蛋白1(proton-coupled peptide transporter 1, PEPT1)及鈉依賴性葡萄糖轉運蛋白1(sodium-dependent glucosetransporter , SGLT1)在小腸細胞系的表達并不高。
 

不同細胞系在不同實驗室中的研究結果差異很大，CaCo-2 細胞系的這個問題尤其顯著(Harwood et al., 2016;Sambuy et al., 2005)。
 

總之，腸上皮細胞系既不能保留重要的上皮特性，也不能保留其位置特異性功能，因此腸上皮細胞系在上皮細胞生物學研究中的作用非常有限。

相比之下，腸道類器官可持續培養數年，同時包含所有類型的腸上皮細胞，包括干細胞、分泌黏蛋白的杯狀細胞、分泌抗菌肽的潘氏細胞(Paneth cells)、tuft 細胞、分泌激素的腸內分泌細胞(enteroendocrine cells,EECs)及腸上皮吸收細胞(Sato et al.，2009)。通過在培養基中添加腫瘤壞死因子(tumor necrosis factorTNF)家族成員RANKL，腸道類器官甚至可誘導產生M細胞(de Lau et al.，2012)。在長期的培養過程中，類器官可維持各類細胞的位點特異性及基因的表達(Middendort et al.，2014)。因此，類器官可較準確地反映哺乳動物腸上皮的主要特性，可廣泛應用于各類研究中。
 

腸道類器官幾乎適用于所有用于分析細胞及組織樣本的實驗方法(Sato and Clevers2013a)，包括免疫組化、免疫熒光、原位雜交(Mahe et al.，2013)、基因和蛋白的表達分析(如RNAseq和質譜分析)(VanDussenet al，2015)、活細胞成像(Zietek et al.，2015)、代謝分析(如高分辨率細胞呼吸測定)。關于基因操控的所有分子生物學技術也可用于腸道類器官，如類器官可轉染CRISPER/Cas9DNA及小干擾RNA，可感染重組病毒，可用于CreERT2體系,通過在培養基中加入他莫昔芬即可敲除加入flox序列的等位基因(Berger et al., 2016;Sato and Clevers,2013a)。
 

顯微鏡下的小鼠小腸類器官

腸道類器官培養體系的建立推動了胃腸道發生發展及病理學中的干細胞及分子生物學研究。隨著腸道類器官的廣泛應用，新的應用領域也在不停拓展。作為可準確反映體內生理特征的體外培養體系，腸道類器官可有助于顯著減少研究所需的動物數量。

全組織塊培養也是一種可靠的體外培養模型，小鼠的小腸組織塊體外培養物可重現小腸組織中主要營養轉運蛋白的表達及活動 (Roder et al., 2014)。但組織塊的穩定性較差，其活性在體外僅可保留幾個小時，因此僅能用于短期實驗研究。組織塊的成分復雜，不僅包含腸上皮細胞，還包括很多其他類型的細胞和組織，比如肌肉、結締組織、神經和巨噬細胞等。全組織塊培養并不適用于所有的科學研究，若研究者僅想對腸上皮細胞的特定功能進行研究，那么全組織塊培養并不適用。
 

細胞及組織的原代培養方法均不能實現特定樣本的體外擴增，動物實驗需要大量小鼠樣本的支持；就人體組織實驗而言，倫理及組織相關問題均會限制樣本的可及性。
 

總之，現有的體外研究模型均存在局限性，亟待新型模型的出現，腸道類器官培養可準確反映位置特異性腸上皮的生理學功能，同時具有操作容易、可無限擴增等優勢，而且類器官可被凍存保留數年。因此，腸道類器官將有助于攻克腸上皮生物學領域中許多尚未解決的問題。

文獻參考
Harwood,M.D.,Achour,B.,Neuhoff,S.,Russell,M.R.,Carlson,G.,Warhurst,G.,et al.,2016.  In vitro-in  vivo  extrapolation  scaling  factors  for  intestinal  P-glycoprotein  and  breast cancer  resistance protein:  part  I:  a  cross-laboratory  comparison  of transporterprotein  abundances  and  relative  expression factors  in  human  intestine and  Caco-2  Cells.  Drug  Metab.  Dispos.  44,297-307.
 

Sambuy,  Y. ,  De  Angelis,  I.  ,  Ranaldi,  G.  ,  Scarino, M. L. , Stammati, A. , Zucco, F. ,  2005. The Caco- 2 cell  line  as  a  model  of  the  intestinal  barrier :  influence  of  cell  and culturerelated  factors  on  Caco-2 cell  functional  characteristics.   Cell   Biol.  Toxicol. 21, 1-26.

 
Sato,T.,Vries,R.G.,Snippert,H.J.,van de Wetering, M., Barker, N. , Stange, D. E. ,et al.,2009. Single  Lgr5  stem  cells  build  crypt-villus  structures  in  vitro  without  a mesenchymal niche.  Nature. 459,  262-265.
 
de Lau,W., Kujala,P.,Schneeberger,K.,Middendorp,S.,Li,V.S.,Barker,N.,et al.,2012. Peyer's patch  M  cells  derived  from  Lgr5(1)  stem  cells  require  SpiB  and  are  induced  by RankL  in  cultured  “miniguts” .   Mol    Cell   Biol.  32,3639-3647.
 
Sato,T.,Clevers,H.,2013a.  Growing  self-organizing mini-guts  from  a  single intestinal stem  cell:mechanism and   applications.   Science.   340,1190- 1194.
 
Mahe,M.M.,Aihara,E.,Schumacher,M.A.,Zavros,Y.,Montrose,M.H.,Helmrath,M.A.,et al. 2013.  Establishment  of  gastrointestinal  epithelial  organoids.  Curr.  Protoc.  Mouse Biol.3,217-240.
 
VanDussen,K.L.,Marinshaw,J.M.,Shaikh,N.,Miyoshi,H.,Moon,C.,Tarr,P.I.,et al.,2015. Development  of  an  enhanced  human  gastrointestinal  epithelial  culture  system to facilitate  patient-based  assays.  Gut  64,911-920.
 
Zietek,T.,Daniel,H.,2015. Intestinal  nutrient  sensing  and  blood  glucose  control.
Curr.   Opin.  Clin.  Nutr.  Metab.  Care.  18,381-388.
 
Berger,E.,Rath,E.,Yuan, D.,Waldschmitt, N.,Khaloian,S.,Allgauer,M.,et al.,2016. Mitochondrial  function  controls  intestinal  epithelial  stemness  and  proliferation.
Nat.  Commun.  7,13171.
 
Roder,P.V.,Geillinger,K.E.,Zietek,T.S.,Thorens,B.,Koepsell,H.,Daniel,H.,2014.  The  role  of SGLT1  and  GLUT2  in  intestinal  glucose  transport  and  sensing.  PLoS  One. 9, e89977.

關于模基
廈門模基生物科技有限公司（Xiamen Mogengel）位于中國·廈門國家高新技術創業中心，公司致力于3D細胞培養核心原材料的研發與產業化升級。目前公司的產品有基質膠、類器官培養基、細胞因子、3D細胞培養耗材、3D細胞培養智能顯微鏡等。公司擁有4大技術研發中心：分子克隆和細胞編輯中心、實驗動物中心、蛋白表達和純化平臺、類器官質檢系統和自動化。

團隊擁有十余年類器官技術研究基礎，實力雄厚，科研意志堅定，學術態度嚴謹，大膽嘗試，勇于創新。公司推出的基質膠、類器官培養試劑盒等產品廣泛適用于類器官培養、血管生成實驗、細胞侵襲（transwell）實驗、PDX、CDX模型實驗、腫瘤球培養、腫瘤移植、皮下成瘤實驗、干細胞培養及細胞分化研究以及其他待開發實驗類型。