类器官的成功培养代表了原代细胞分离培养技术的重大突破。肠道类器官(IOs)是由干细胞在体外三维(3D)培养环境中自然发育而成的多细胞结构,包含上皮和管腔。这些结构能模拟体内组织的复杂结构、多细胞类型的异质分布以及细胞间相互作用,具有良好的增殖和存活能力,使其成为研究物质感知、运输、激素分泌及细胞内信号传导过程的理想工具。肠道干细胞(ISCs),尤其是富含亮氨酸重复序列G蛋白偶联受体5阳性(Lgr5+)成体干细胞,位于肠隐窝基部,具有极强的定向分化能力,可分化为多种细胞类型,促进肠道更新和修复。Sato等[1]利用Lgr5+干细胞的体外分化能力,在2009年首次成功培养出小鼠来源的IOs。2011年,Sato等[2]又通过在用于促进小鼠类器官生长的培养物中添加烟酰胺和各种小分子抑制剂,建立了隐窝衍生的人IOs。此后,牛、猪、狗等多种动物的IOs也被成功建立[3-6]。
近年来,IOs已成为研究肠道功能及活性物质吸收、转运和代谢的重要工具。饲粮中的活性物质,如植物活性成分、益生菌、膳食纤维和生物活性肽等,具有促进动物肠道稳态、增强免疫功能和提高生长性能等作用[7]。活性物质只有通过肠道吸收并转运至血液,才能发挥其生物学效应。因此,明确肠道对这些活性物质的吸收机制是提升动物生长性能的关键。数十年来,已有诸多研究模型被用于探究活性物质的肠道吸收与代谢,虽然动物模型能够再现营养物质吸收、转运及代谢的全过程,但受限于高成本、耗时长,以及难以精确解析活性物质穿过肠道屏障所涉及的各个过程等问题[8]。细胞系模型以无限增殖、操作简便、成本低廉和效益高等优点,成为研究肠道营养物质和药物吸收代谢的主要体外模型。然而,由于其细胞组成单一,缺乏细胞与细胞、细胞与组织之间相互作用,加之其癌细胞系的来源等原因,细胞系模型难以模拟体内复杂的环境和功能,限制了它们模拟正常生理机能的准确性,在临床研究中通常只作为初步预测模型[9-10]。IOs是由多种肠上皮细胞组成的3D组织结构,能够在体外自我更新与分化、再现体内多细胞结构与功能、模拟体内肠道多细胞间交流、有较高效益以及适用于高通量筛选,能更准确地预测动物机体肠道生长发育、药物和营养物质吸收代谢、疾病和肠道恢复等反应。因此,IOs被认为是用于活性物质临床前研究及研究活性物质生物利用过程的绝佳工具。基于此,本文将对IOs模型的生物学特性、培养方法及近年来其在活性物质吸收代谢研究中的应用进行综述,并就其与其他体外肠道吸收模型相比较的优势、不足及今后改良的方向进行探讨,旨在为营养物质吸收、畜禽饲料添加剂及抗生素替代品开发等方面的研究提供参考。
1 肠道吸收机能及其细胞组成
食物消化和吸收遵循一条精确路径,涉及从口腔、食管、胃及小肠到大肠的多个消化阶段的协同作用。在口腔和胃中经过机械和化学消化后,食物形成食糜,其中的营养物质在小肠被消化吸收入血,小肠未消化的食糜在大肠还要经过微生物的降解并被吸收,最后剩余残渣则通过肛门排出体外。哺乳动物的肠道由内向外依次由黏膜、黏膜下层、肌层(由环形肌和纵形肌组成)和浆膜构成,其间有穿行于黏膜下层和肌间的神经丛。小肠黏膜具有独特的结构特征,由单层柱状上皮覆盖在高度血流灌注的固有层之上,这有利于分子通过肠系膜血管进入体循环。固有层中的平滑肌通过诱导绒毛运动,混合肠腔内容物,促进其与绒毛的充分接触[11]。小肠黏膜的高度折叠状态,包括指状凸起的绒毛和内陷的隐窝,显著增加了有效吸收表面积[12]。这些结构和功能的协同作用,确保了食物中的营养物质能够被机体高效且充分地吸收利用。
肠上皮是一个选择性渗透屏障,由肠上皮细胞及覆盖上皮细胞的若干黏膜屏障构成,以快速的自我更新能力、丰富的细胞类型、广泛的生理功能及独特的绒毛摆动而著称。肠上皮主要由杯状细胞、肠上皮细胞、内分泌细胞、潘氏细胞及干细胞等组成(表1),它们通过交换生物化学和机械信号,共同决定小肠的结构和功能[13]。位于肠隐窝底部的ISCs可分化为吸收型与分泌型祖细胞,并迁移至绒毛中分化为终末分化细胞,它们具备分化为多种肠细胞的能力,确保了肠上皮的快速再生与修复[14]。ISCs分化过程涉及子细胞和瞬时扩增(TA)细胞产生。TA细胞沿着隐窝边缘向上迁移,在2~3 d后到达隐窝绒毛连接处并进行终末分化。随后,除了潘氏细胞向下迁移外,其余所有细胞均向绒毛顶端迁移并继续分裂。维持绒毛顶端上皮细胞凋亡和TA细胞产生之间的动态平衡,是保持上皮屏障的完整性的关键,一旦这一平衡被打破,便可能引发炎症乃至癌症等严重后果,其中Notch和Wnt信号通路的异常调控往往是其背后的关键诱因[15]。
表1 常见的肠细胞类型Table 1 Common cell types in intestine |
| 细胞类型 Cell types | 功能 Function | 标志物 Marker | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| 肠上皮细胞 Enterocytes | 最常见上皮细胞,负责消化和吸收 营养物质,构成肠腔和血液 之间的物理屏障 | 绒毛蛋白,碱性磷酸 酶染色阳性 | [16] |
| 杯状细胞 Goblet cells | 分泌黏液以捕获微生物并阻止其进入 肠上皮层,以维持肠道稳态 | 黏蛋白2 | [16] |
| 潘氏细胞 Paneth cells | 分泌生长因子和抗菌肽,以支持生态 位内干细胞及调节肠道微生物的功能 | 溶菌酶 | [17] |
| 内分泌细胞 Enteroendocrine cells | 感知肠内容物和分泌激素,参与组织 修复、血管生成、肠细胞分化 | 突触蛋白 | [18] |
| 簇细胞 Tuft cells | 释放细胞因子协助清除肠道病原体, 刺激产黏细胞、招募免疫细胞, 诱导肌肉收缩 | 双肾上腺素皮质样 激酶1 | [19] |
| M细胞 M-cells | 专门摄取肠道微生物抗原,并将其 输送淋巴组织,启动黏膜和 全身免疫反应 | 碱性磷酸酶染色阴性, 无刷装边缘 | [20] |
| 干细胞 Stem cells | 位于肠隐窝底部,分化为子细胞和瞬时扩增(TA) 细胞,促进受损肠组织的快速再生 | 富含亮氨酸重复序列的 G蛋白偶联受体5 | [21] |
2 IOs的生物学特性与功能
IOs因具有独特的生物学特性与功能,被认为是研究营养物质感知、吸收、转运及代谢等多领域的理想工具(表2)。IOs具有良好的干性特征,能够在体外进行自我分化与增殖。IOs组织形态和功能与体内高度类似,具备肠上皮屏障渗透活性及转运蛋白活性。此外,IOs还表达大量与物质运输和代谢相关的蛋白质,具备完整的物质吸收、转运及代谢功能。
表2 肠道类器官的生物学特性与功能Table 2 Biological characteristics and functions of IOs |
| 功能 Functions | 生物学特性 Biological characteristics | 参考文献 References |
|---|---|---|
| 良好的干性 Good stemness | Lgr5、CDX2、HNF4A、Bmi1、CDX2和 Ki67等基因被高水平表达 | [22-23] |
| 肠上皮屏障功能 Intestinal epithelial barrier function | 表达细胞间紧密连接蛋白、黏蛋白2 (Muc2)、E-钙黏蛋白(E-cadherin)、F-肌动 蛋白(F-actin)、嗜铬粒蛋白A(CHGA)等蛋白 | [24] |
| 选择性渗透 Selective permeability | 能被动吸收4 kDa大小的化合物 | [25] |
| 物质吸收、转运与代谢 Substance absorption, transport, and metabolism | 表达钠依赖性葡萄糖转运蛋白1(SGLT1)、小肽转运 蛋白1(PEPT1)、葡萄糖转运蛋白(GLUT)、胰高血糖 素样肽1(GLP1)、胆汁酸受体5(TGR5)、Na+-H+转运 蛋白等多种物质运输和代谢相关蛋白 | [26-27] |
2.1 良好的干性
2.2 重现体内上皮屏障
肠上皮的关键功能之一是选择性允许必需营养素通过,同时阻止有害外部毒素和微生物入侵,以维持上皮细胞的功能。肠上皮屏障的形成需要蛋白质复合物将细胞与细胞或细胞黏膜连接形成渗透屏障,这些复合物在IOs中也有被表达,包括细胞间紧密连接蛋白、杯状细胞产生的黏蛋白[黏蛋白2(Muc2)]、黏附连接蛋白[E-钙黏蛋白(E-cadherin)]、肠上皮细胞骨架蛋白[F-肌动蛋白(F-actin)]、肠分泌细胞产生的嗜铬粒蛋白A(CHGA)以及肠上皮细胞产生的细胞角蛋白等,这些发现证实了肠上皮的屏障功能[24]。此外,IOs能被动吸收4 kDa大小的化合物(如葡萄糖、肽和脂肪)进入其管腔内,进一步证实了IOs具有与体内肠上皮相似的渗透功能[25]。
2.3 完善的物质吸收、转运与代谢功能
研究发现,多种负责物质运输和代谢相关蛋白在IOs中均被表达,包括钠依赖性葡萄糖转运蛋白1(SGLT1)、小肽转运蛋白1(PEPT1)、葡萄糖转运蛋白(GLUT)、胰高血糖素样肽1(GLP1)、胆汁酸受体5(TGR5)、Na+-H+转运蛋白、上皮Na+通道蛋白以及脂肪酸和胆固醇转运代谢关键基因[过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)、二脂酰甘油酰基转移酶1(DGAT1)和NPC1L1]等,表明IOs具有良好的营养物质、水和电解质的吸收代谢功能[26-27]。此外,Michiba等[28]的研究发现,人空肠类器官保留了多种肠道药物代谢酶和转运蛋白功能,肠道药代动力学相关基因表达水平接近于人空肠组织表达水平,进一步证明了IOs具有吸收药物等活性物质的功能。
3 IOs培养技术
IOs的发育是一个复杂的过程,涉及从无序到有序的空间重组,包括细胞分化和形态重排2个关键阶段。细胞分化是由系统内部的自主机制和细胞间的局部通信共同启动的,而形态重排则是由于组织内不同细胞类型的分选和系统结构在更高层次上的重组所致。因此,培养环境的物理特性及培养系统内源性和外源性信号是IOs成功培养的关键。
3.1 培养环境的物理特性
IOs的生长和黏附需要3D环境,细胞外基质(ECM)是构建3D环境的常用材料。将肠隐窝与ECM混匀后,接种于培养板中,待其凝固后加入IOs培养基,便可形成3D培养系统。基质胶(matrigel)在3D类器官培养中是最广泛使用的基质,它从小鼠肉瘤细胞中分离纯化而来,包含ECM成分和生长因子,能有效促进细胞生长和分化[1]。然而,基质胶成分的复杂性和可变性可能导致生长环境的不一致性,从而影响试验的重复性。因此,许多研究正在寻找能够替代天然基质胶的产品,化学合成的水凝胶因其成分单一可控,可为类器官生长提供3D培养环境,是天然基质胶的潜在替代品之一,但其生物活性不足限制了它们在类器官培养中的广泛应用[29]。
3.2 内源性和外源性信号
IOs成功建立依赖于在特定时间节点激活发育所需的信号通路,以促进干细胞生长、分化和细胞重排。在细胞增殖与更新中发挥关键作用的信号包括Wnt信号通路[30]、抑制β-catenin活性的骨形态发生蛋白(BMP)信号通路[31]、表皮生长因子(EGF)[32]、B27补充剂、烟酰胺、N2补充剂、N-乙酰半胱氨酸、ROCK蛋白激酶抑制剂(Y-27632)、p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)抑制剂(SB202190)以及转化生长因子-β(TGF-β)受体抑制剂(A83-01)等[33]。这些信号通过调节各种信号通路,以确保IOs的形态维持和长期培养。培养IOs所需的内源性与外源性信号见表3。
表3 培养肠道类器官所需的内源性与外源性信号Table 3 Endogenous and exogenous signals required for IOs culture |
| 信号 Signals | 功能 Functions | 参考文献 References |
|---|---|---|
| Wnt3a | 激活Lgr5+干细胞,促进肠道类器官(IOs)增殖和分化 | [34] |
| Notch | Notch信号通路通过Hes1转录因子的负调控作用,维持肠道干细胞的干性 | [35] |
| R-spondin-1 | Wnt信号通路激活剂,激活Lgr5受体,促进干细胞增殖和分裂 | [36] |
| 表皮生长因子EGF | 促进肠上皮细胞的增殖与分化 | [37] |
| SB202190 | p38丝裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)抑制剂,减少细胞 凋亡,促进细胞分化,维持IOs功能 | [33] |
| A83-01 | 转化生长因子-β(TGF-β)抑制剂,抑制TGF-β介导的 上皮-间质转化,从而维持类器官的稳定性和长期增殖能力 | [33] |
| Noggin | 骨形态发生蛋白(BMP)信号通路抑制剂,维持干细胞的 稳态,防止其过度分化或凋亡 | [38] |
| 烟酰胺Nicotinamide | 抑制Sirtuins,防止干细胞过早分化, 与R-spondin-1协同促进类器官的生长 | [39] |
4 IOs在饲粮成分吸收与代谢研究中的应用
IOs自被建立以来,已被应用于营养物质吸收预测、活性物质筛选、肠道吸收代谢修复等研究中,成为个性化营养方案研发的助推器,活性物质研发从基础研究走向临床应用的加速器(表4)。
表4 肠道类器官在饲粮成分吸收代谢研究中的应用Table 4 Application of IOs in study of absorption and metabolism of dietary components |
| 饲粮成分 Dietary components | 类器官来源 Organoid sources | 研究结果 Research results | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| 水和电解质 Water and electrolyte | 人 | 可用于表征小肠电解质运输过程 | [40] |
| 脂质体Liposomes | 猪 | 小粒径和复杂磷脂组成的脂质体在肠道类器官(IOs)中的 转运效率更高,促进IOs生长 | [41] |
| 葡萄籽花青素提取物 Grape seed proanthocyanidin extract | 小鼠 | 促进IOs中L细胞增殖和分化,促进胰高 血糖素样肽-1(GLP-1)分泌 | [42] |
| 二甲双胍 Metformin | 人 | 抑制线粒体呼吸链功能,激活单磷酸腺苷活化的蛋白 激酶(AMPK)途径,促进生长分化因子-15(GDF-15) 释放,进而增强葡萄糖摄取和糖酵解 | [43] |
| 川陈皮素 Nobiletin | 干细胞 | 特异性阻断钠依赖性葡萄糖转运蛋白1 (SGLT1)依赖的葡萄糖摄取 | [44] |
| 表儿茶素没食子酸酯 Epicatechin gallate | 干细胞 | 抑制葡萄糖吸收 | [44] |
| 牛乳来源的细胞外囊泡 Milk extracellular vesicles | 人 | 能从IOs的顶端侧转运至基底侧,成功 靶向递送RNA治疗药物 | [45] |
| 苯甲酸Benzoic acid | 猪 | 促进黏蛋白2(Muc2)细胞增殖和细胞囊泡运输, 下调Wnt及Notch信号通路,预防病毒感染 | [46] |
| N-乙酰基-D-氨基葡萄糖 N-acetyl-D-glucosamine | 猪 | 促进肠道干细胞的增殖和分化,改善 仔猪肠道发育及营养吸收能力 | [47] |
| 维生素A Vitamin A | 猪 | 促进肠道干细胞的增殖和分化,显著改善断奶 仔猪的肠道发育和营养吸收功能 | [48] |
4.1 营养物质吸收预测的研究
IOs作为体外模拟肠道功能的重要平台,已成为研究宏量营养素、水和电解质吸收的理想工具;通过果糖感应,IOs能够有效预测不同肠细胞类型在营养物质吸收过程中的角色,包括肠上皮细胞、杯状细胞和潘氏细胞等,这些细胞能够感知并响应果糖等物质,帮助理解肠道内营养物质吸收的复杂机制[49]。因此,可通过将IOs模型定向分化为特定肠细胞类型,深入研究它们在营养物质吸收中的作用。在水和电解质吸收预测中,IOs表现出显著的应用潜力。Foulke-Abel等[40]通过使用人IOs模型,研究了在基础及病理状态下Na+吸收与阴离子分泌的过程,发现类器官中的Na+-H+交换活性与天然肠上皮高度相似;此研究还揭示了第二信使及微生物肠毒素对Na+吸收具有调节作用,Na+/HC 转运蛋白是治疗分泌性腹泻的潜在靶点,进一步验证了类器官在模拟肠道电解质吸收和转运方面的重要价值。此外,IOs在脂质体吸收预测中的应用也取得了重要进展。Xu等[41]研究表明,不同粒径和成分的脂质体在IOs中对乳铁蛋白和脂肪酸的输送效果显著提高,特别是复合磷脂脂质体在转运效率上表现优异,比脂肪酸的转运效率提高了3.4倍,比氨基酸则提高了2.0倍,为开发营养载体提供了理论依据;该研究为脂质体膜结构与功能之间的关系提供了新的见解,并揭示了脂质体作为婴儿营养载体的潜力。
4.2 活性物质筛选的研究
IOs在活性物质筛选中展示出巨大的应用潜力,尤其是在肠道吸收、转运及特定代谢途径的调节上。IOs提供了比传统细胞模型更为精准的筛选平台,可通过IOs模型筛选出具有调节营养物质吸收功能的活性物质。基于IOs模型,研究发现,儿茶素没食子酸酯和川陈皮素等天然成分显著抑制葡萄糖吸收,葡萄籽花青素提取物(GSPE)通过促进胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和肽YY(PYY)的释放来调节食欲和葡萄糖稳态,二甲双胍显著增加IOs中葡萄糖摄取和糖酵解相关基因的表达[42-44]。IOs在筛选转运蛋白介导的活性物质吸收中具有独特优势,特别是在肽类药物吸收特性和代谢路径的研究中。Zietek等[26]利用IOs评估了环状六肽对甘氨酰肌氨酸(Gly-Sar)摄取的影响,发现这些肽类化合物能够与转运蛋白相互作用,其过程可通过量化技术进行精确评估。此外,IOs也能助力新型载体(如纳米载体)的研究,例如,Zhang等[45]通过研究牛奶细胞外囊泡在极性翻转IOs模型中的转运,揭示了纳米载体如何从IOs顶端侧跨越到基底膜侧的转运机制,为筛选纳米载体提供了新的思路。
4.3 肠道吸收与代谢修复的研究
IOs能够动态再现不同疾病状态下肠道对营养物质的吸收、转运和代谢变化,进而为理解疾病机制及营养和药物干预的评估提供新的平台。许多疾病,如炎症性肠病、糖尿病和肥胖等,均会导致肠吸收功能异常、肠通透性改变、营养物质转运及代谢障碍,进而影响整个机体营养状态,而IOs能够在体外精准模拟这些疾病特征。基于IOs模型,研究揭示了肥胖和炎症等疾病如何影响肠道的转运蛋白及其通透性,如何改变肠道对营养物质的吸收效率和代谢过程。例如,Badurdeen等[50]通过转录组研究表明,来源于肥胖个体的IOs表现出包括葡萄糖吸收在内的多种营养吸收相关基因表达上调,尤其是葡萄糖转运体(如SGLT1)的表达增加,免疫反应相关的I型干扰素靶点下调,揭示了肥胖可能通过调节特定的吸收机制,加剧代谢异常,从而影响整体营养吸收功能。此外,肠道炎性损伤导致IOs通透性显著增强、屏障功能显著降低、跨上皮电阻值下降以及肠道标记基因[如Muc2、绒毛蛋白1(Villin1)、Lgr5、溶菌酶(LZM)]表达下调等病理变化的发生,揭示了炎性损伤可以直接影响肠道的营养物质吸收功能,进而加快疾病发生发展[51-52]。上述研究结果证实了IOs在研究疾病相关肠道吸收代谢功能障碍及其修复中的重要性。
由于IOs对药物吸收和渗透性表现优于Caco-2细胞,已有研究将IOs的应用范围拓展到临床治疗的评估,特别是活性物质在疾病修复中的潜在保护作用的探索[52]。苯甲酸作为一种生长促进剂,研究发现,其可促进IOs中Muc2细胞增殖、细胞囊泡运输相关基因表达上调,并伴有Wnt和Notch信号通路的下调,对损伤的肠道具有修复作用[46]。Kim等[53]通过微流体芯片技术,在营养缺乏的培养基中构建了肠道功能障碍模型,并发现抗疟疾药物磺胺多辛-乙胺嘧啶能够改善肠道功能,增加必需脂肪酸和营养物质的吸收,并抑制相关的炎症反应。这些研究提示,活性物质不仅能够缓解肠道屏障损伤,还能够促进肠道对营养物质的有效吸收,具有重要的临床应用前景。
因此,IOs能为研究疾病状态下肠道对营养物质吸收、转运和代谢的变化提供强大平台,包括在代谢性与炎症性等疾病中能够模拟肠道屏障损伤和修复过程。通过IOs可以深入探讨不同疾病对肠道功能的长期影响,评估药物和营养干预作用效果,尤其是在修复肠道屏障和营养吸收功能方面的评价,可为营养措施与治疗措施的开发提供重要的理论依据。
4.4 功能性标记物示踪技术在IOs功能研究中的应用
功能性标记物示踪技术作为一种高效的研究工具,已被广泛应用于营养物质吸收代谢研究中。通过功能性标记物,能够实时、精准地追踪营养物质及活性分子在IOs中的吸收、转运和代谢过程,为理解肠道生理与病理状态下的功能变化提供了有力支持。功能性标记物能够有效评估不同营养物质在IOs中的吸收与转运,如葡萄糖、脂质、氨基酸等。在研究过程常使用荧光标记分子[如异硫氰酸荧光素(FITC)标记葡聚糖或葡萄糖]来追踪IOs中的吸收过程。Zietek等[26]利用FITC标记的葡聚糖追踪其在IOs中的吸收过程,发现4 kDa大小的葡聚糖能穿越IOs上皮并进入其管腔内。此外,功能性标记物示踪技术也可用于定量评估IOs中转运蛋白的表达与功能,可使用放射性标记底物或特定的染料,如BCECF-AM和Fura-2-AM,实时监测离子和营养物质的转运过程[26]。功能性标记物示踪技术在活性物质吸收代谢研究中也发挥了重要作用。通过实时监测活性物质在不同动物来源的IOs中的吸收过程,能够了解其对吸收细胞分子标记物[如Muc2和肠碱性磷酸酶(ALPI)]、电解质/营养物质转运因子(如SGLT1和GLUT2)以及微绒毛结构的影响[26,54]。这些研究为活性物质的筛选与机制研究提供了理论依据,并有助于揭示其在肠道中的吸收过程及其生理作用。通过功能性标记物示踪技术,能够在IOs中全面、动态地观察到活性物质的吸收、转运和代谢过程,为进一步探索肠道功能及其在营养和疾病中的作用提供新的研究手段。
4.5 助力个性化营养方案制定
IOs来源多样,利用不同来源于动物的IOs能够定制个性化的营养方案。在婴儿奶粉配方研究中,基于转录组学和代谢组学等多种技术,能够高效评估不同活性物质对IOs中代谢物分泌、免疫力及肠道发育的影响。研究发现,配方奶粉和母乳均能促进婴儿免疫系统的发育、营养物质吸收及肠道发育,而配方奶粉中添加不同成分(如低聚果糖、乳清蛋白粉、低聚半乳聚糖)对婴儿生长发育具有特定影响[55]。在饲料添加剂研发中,通过使用IOs,发现N-乙酰基-D-氨基葡萄糖(D-GlcNAc)能够有效促进仔猪的肠道发育与营养吸收,其机制与干细胞活性的上调密切相关[47]。此外,IOs也可用于研究肠道上皮对饲料成分的反应,利用猪IOs作为体外模型,发现谷氨酸能调节肠道干细胞的干性,促进肠道上皮的增殖与修复[48]。基于这些研究,IOs可以助力于个性化营养方案的制定,能更加精准地满足个体的生理需求,尤其是在婴儿营养、动物饲料以及疾病干预等领域,展现出了广阔的前景。
5 IOs在活性物质研究中的应用前景
IOs作为一种模拟肠道功能的体外模型,在活性物质的吸收、代谢和转运研究中展现出巨大的应用潜力。随着新兴技术的不断发展,IOs将与新兴前沿技术相结合,推动活性物质研究朝着更高效、更精准、个性化与多元化方向发展,这对优化饲粮营养高效利用和提高动物生产效率具有重要意义。
5.1 与新兴技术的结合提升研究精度
IOs与高通量筛选技术、微流控技术和基因编辑技术等新兴技术相结合,能够显著提升活性物质吸收与代谢研究的精度与效率。结合人工智能技术,提升IOs的检测效率,为IOs的生长条件优化、细胞类型预测和功能分析提供了更多的可能性,促进了更为复杂的IOs的构建[56]。结合微流控技术,能够精确控制IOs的培养条件,模拟血液流动、肠道蠕动以及肠道微生物群的相互作用,可为活性物质吸收代谢研究提供更具生理相关的模型,提升吸收效率评估的准确性[57]。通过CRISPR/Cas9等基因编辑工具,可精准操控IOs中的基因表达,揭示特定基因对活性物质在肠道吸收中的作用及调节机制,为营养方案优化和动物健康提供更加精准的理论支持[58]。
5.2 多组学与人工智能推动功效评估智能化
6 小结
肠道吸收效率是影响活性物质生物学功能发挥的关键因素,IOs凭借在体外高度还原体内肠道结构和功能的优势,已成为活性物质吸收、代谢及机制研究的理想平台。然而,营养物质吸收、代谢及转运机制尚不完全明确,具有促进动物生长和提高动物生产效率的饲料添加剂研发仍显不足。尽管IOs在这一领域的研究中展现出良好潜力,但仍面临血管化缺失、细胞间通信不足和肠道菌群缺失等挑战与局限性。为提升IOs在活性物质筛选中的应用,未来还需要从以下几个方面进行改进:1)IOs血管网络构建。动物肠道内血管网络对物质交换至关重要,而现有IOs缺乏血管,限制了其在活性成分筛选中的应用,未来通过与微血管内皮细胞共培养,有望建立血管化IOs,更真实地模拟肠道血管网络。2)建立细胞间信息通路。现有IOs缺乏多系统间的复杂交互,为更全面地反映活性物质在体内的跨器官作用,未来可探索多系统类器官的混合培养技术,如与神经系统和免疫系统联合培养,从而构建接近生理环境的模型。3)模拟肠道微环境。肠道菌群对活性物质的吸收代谢影响深远,但现有的IOs模型通常为无菌状态,结合肠道菌群共培养技术,使培养的IOs模型更加接近动物自身菌群结构,促进对活性物质-菌群-肠道三者间复杂关系的深入理解。
总而言之,IOs作为一种新兴的研究技术,在活性物质吸收代谢及其机制研究中展现出良好的应用前景。在未来研究中,借助IOs来研究活性物质在肠道的吸收转运效率、代谢机制以及对肠道结构和功能的影响,不仅可以加速开发具有促进健康与生长的营养方案及功能性饲料添加剂,缩短活性物质从实验室研究到实际应用的研发周期,同时也能提高养殖动物的生产效率和生产效益。