一種基于類(lèi)器官的器官再利用方法治療短腸綜合征

時(shí)隔12年，Hans博士的得意門(mén)生，現就任于日本Keio大學(xué)的Toshiro Sato及其團隊在Nature上發(fā)表了題為：An organoid-based organ-repurposing  approach to treat short bowel syndrome 的最新研究進(jìn)展。該研究利用小腸和結腸上皮細胞結構相似性，使用類(lèi)器官移植將結腸上皮替換為小腸上皮，產(chǎn)生“小腸化結腸”（small intestinalized colon SIC），SIC可以血管化并能夠形成淋巴結構，指導結腸中小腸結構的形成。

小腸是吸收營(yíng)養的主要器官，各種情形下（包括手術(shù)等）的切除會(huì )導致吸收不良和消瘦，這被稱(chēng)為短腸綜合癥（SBS）。

小腸移植目前來(lái)看暫時(shí)仍是唯一治療SBS的方法。但是嚴重的同種異體排斥反應會(huì )降低患者生存概率和這種治療的長(cháng)期效果。因此，尋找新的治療方法就顯得非常緊迫了。而類(lèi)器官技術(shù)則可以在體外有效地擴大腸道上皮組織的面積，具有巨大的潛力。

該研究中，我們用回腸來(lái)源的類(lèi)器官代替天然結腸上皮，從而培養出了小腸化結腸（SIC）。首先，我們發(fā)現異體移植的人類(lèi)回腸類(lèi)器官保留了它們的區域特征，并在小鼠結腸中形成新生的絨毛結構。體外培養的單層類(lèi)器官進(jìn)一步揭示了腔內的機械流在絨毛形成中的重要作用。然后，我們通過(guò)將SIC重新定位在回盲腸交界處來(lái)研究大鼠的SIC模型，在該回腸交界處，上皮細胞暴露于恒定的腸腔內液流中。這種解剖學(xué)上的位置改變?yōu)镾IC提供了小腸的器官結構，包括完整的血管和神經(jīng)系統，絨毛結構和乳糜管（小腸特有的吸收脂肪的結構）。SIC具有吸收營(yíng)養的功能，在SBS大鼠模型中可顯著(zhù)改善腸道衰竭，但如果移植的是結腸類(lèi)器官而非回腸類(lèi)器官，那就一定會(huì )導致死亡。這些數據可以作為回腸類(lèi)器官用于再生目的的機制證明，并為治療SBS提供了潛在的可行策略。

該研究詳情如下：

首先將人小腸類(lèi)器官移植到免疫缺陷小鼠的結腸表面。

將人類(lèi)回腸或結腸類(lèi)器官移植到免疫缺陷(NOG)小鼠結腸

結果顯示異種移植回腸類(lèi)器官會(huì )構建小腸上皮組織的絨毛結構，而且重構的絨毛結構會(huì )表達與營(yíng)養物質(zhì)轉運相關(guān)的蛋白。因為移植物自發(fā)形成了小腸絨毛結構，作者開(kāi)始探索什么因素促進(jìn)了絨毛形成。

于是研究者便開(kāi)發(fā)了一套培養體系，可以使小腸類(lèi)器官形成2D平面結構，單向生長(cháng)，更接近體內情況。并在其表面進(jìn)行恒定的刺激，通過(guò)這個(gè)實(shí)驗，研究者們發(fā)現了機械力是刺激形成絨毛結構的重要因素。

上圖為連續流動(dòng)的小腸類(lèi)器官的二維培養。 

下圖為存在（+）或不存在（-）流動(dòng)的培養基的情況下培養四天的2D十二指腸和結腸類(lèi)器官的鏡下圖片。（蘇木精和曙紅染色）

圖像以三維(3D)方式堆疊，并根據從下到上的距離來(lái)著(zhù)色。

接下來(lái)作者設計實(shí)驗，通過(guò)大鼠來(lái)驗證以上結果，因為大鼠能夠允許研究者們進(jìn)行解剖以觀(guān)察SIC的重構。首先，用大鼠對人短腸綜合征進(jìn)行建模，若保留回腸末端3厘米，可以有效改善手術(shù)后大鼠生存情況，降低腸衰竭發(fā)生的可能性，而保留4厘米空腸則不能夠產(chǎn)生類(lèi)似的效果。接下來(lái)研究者對大鼠進(jìn)行了完全的空腸回腸切除，并在回盲瓣部位進(jìn)行了回腸類(lèi)器官的移植。結果顯示，與手術(shù)組的死亡率低于30%，移植率近100%。原位雜交以及免疫組化顯示SIC存在LGR5+干細胞以及其主要分化的細胞類(lèi)型，也包括負責吸收營(yíng)養物質(zhì)的腸上皮細胞。

通過(guò)上皮置換產(chǎn)生SIC的策略。頂部，結腸上皮被去除（EDTA處理），然后回腸類(lèi)器官被移植。在進(jìn)行介入手術(shù)之前，移植的回腸上皮顯示出隱窩狀結構（左下圖和圖像）。移植后，會(huì )形成絨毛狀結構（右下圖和圖像）。白色箭頭表示潘氏細胞。

分兩步進(jìn)行的手術(shù)方法，用于在空腸的起點(diǎn)和回腸的終點(diǎn)之間插入需要移植的結腸類(lèi)器官。

為觀(guān)察SIC的治療效果，研究者首先通過(guò)帶有生物發(fā)光的類(lèi)器官確認移植了結腸類(lèi)器官和回腸類(lèi)器官的兩組大鼠移植率相同。結腸類(lèi)器官移植組的大鼠兩周之內狀態(tài)幾乎都接近死亡，而在回腸類(lèi)器官移植組，體重減輕的癥狀得到緩解，生存率得到提高。生存期長(cháng)的大鼠中類(lèi)器官植入面積明顯增多。這說(shuō)明類(lèi)器官有效穩定的植入對于達到良好的治療效果舉足輕重。再進(jìn)一步分析小腸結構表明，SIC 能夠發(fā)揮小腸的基本功能，并重塑淋巴管結構，SIC也能夠維持神經(jīng)回路調控和自主神經(jīng)支配的肌層組織。相較于腸道菌群的變化，移植了回腸類(lèi)器官的大鼠的菌群與保留3厘米回腸都小鼠類(lèi)似，這表明回腸類(lèi)器官對塑造腸道菌群也具有重要作用。

以單盲的方式移植回腸或結腸類(lèi)器官的實(shí)驗策略。

綜上，該研究用類(lèi)器官移植的方法治療了短腸綜合征，為自體類(lèi)器官再生醫學(xué)提供了概念支持，為克服體外干細胞和臨床轉化之間的鴻溝做出了里程碑式的貢獻。