上皮细胞在类器官中的功能及在类器官构建中的作用
2025-08-13 来源:本站 点击次数:63
上皮细胞：类器官构建的核心驱动力
上皮细胞作为人体组织的重要组成部分，广泛分布于皮肤、消化道、呼吸道等部位，承担着屏障保护、物质吸收、分泌和信号传递等多种生理功能。近年来，随着类器官技术的快速发展，上皮细胞在类器官构建中的核心作用日益凸显，成为这一领域研究的焦点。
类器官（Organoids）是一种在体外培养的三维微型器官模型，能够高度模拟真实器官的结构和功能。而上皮细胞正是类器官构建的“基石”。例如，肠道类器官的构建依赖于肠道上皮干细胞（Lgr5+细胞），这些细胞具有强大的自我更新和分化能力，能够在体外形成包含隐窝-绒毛结构的迷你肠道。类似地，肺部类器官、肝脏类器官和肾脏类器官的构建也离不开相应部位的上皮细胞。
上皮细胞在类器官中的重要性不仅体现在其结构构建上，还在于其功能性表达。
上皮细胞在类器官中的功能
上皮细胞在类器官中不仅提供了结构支持，还承担了器官的特定功能。例如：
肠上皮细胞在类器官中的功能
哺乳动物胃肠道中存在着大量先天性免疫细胞和适应性免疫细胞，以及数以万亿计的有益共生微生物，这些细胞需要屏障和调节机制来保护宿主与微生物之间的相互作用以及组织的平衡。这种平衡依赖于肠上皮细胞（IECs）的多种功能，其中包括共生细菌的物理隔离和微生物信号的整合。因此，肠上皮细胞是肠道平衡的关键介质，它能建立一个有利于共生细菌定植的免疫环境。
图1.IECs 可调节先天性免疫和适应性免疫
2009 年 Sato 等人成功分离了单个 Lgr5+ 肠道干细胞 , 并将其与基质胶混合，同时添加几种必需生长因子 EGF，Noggin，Wnt和 R-spondin1等，发现 Lgr5+ 干细胞能够长成球状 3D结构，这便是最早的类器官。
研究表明肠道类器官内部具有完整的肠道上皮结构，而且含有所有种类的肠上皮功能细胞，包括肠上皮各类细胞。肠道类器官含有多个隐窝结构，并相互连接形成中间有肠腔的迷你肠。每个类器官的隐窝含有与体内隐窝相似的 Lgr5+ 干细胞数量。干细胞分化出所有种类的细胞，这些细胞沿隐窝底部向绒毛部分迁移，并最终脱落进入腔。类器官长大成熟后，可通过出芽的方式形成更多的类器官，并可持续传代培养并保持基因组稳定。肠道类器官具有与体内隐窝类似的结构，底部干细胞与潘氏细胞间隔排列，其上是 TA 细胞和成熟细胞。这些隐窝结构由单层的类似绒毛细胞的结构相连接，同样有沿隐窝底部向绒毛部分的细胞迁移，死亡细胞从绒毛部分脱落进入腔。肠道类器官可以在培养皿内连续传代培养数月以上，而不失去原本体内隐窝的特性，始终具有正常的染色体数。表达谱分析也表明，培养的类器官和刚分离的新鲜隐窝的表达谱非常类似，且与隐窝的来源保持一致。
此外，上皮细胞与类器官技术的结合还为再生医学带来了新的希望。通过基因编辑技术对上皮细胞进行修饰，科学家可以构建功能增强的类器官，为器官移植和损伤修复提供潜在的解决方案。
综上所述，上皮细胞不仅是类器官构建的核心驱动力，更是推动类器官技术在基础研究、疾病治疗和再生医学中广泛应用的关键因素。随着技术的不断进步，上皮细胞与类器官的结合必将为生命科学和医学领域带来更多突破性进展。
参考文献：
上皮细胞作为人体组织的重要组成部分，广泛分布于皮肤、消化道、呼吸道等部位，承担着屏障保护、物质吸收、分泌和信号传递等多种生理功能。近年来，随着类器官技术的快速发展，上皮细胞在类器官构建中的核心作用日益凸显，成为这一领域研究的焦点。
类器官（Organoids）是一种在体外培养的三维微型器官模型，能够高度模拟真实器官的结构和功能。而上皮细胞正是类器官构建的“基石”。例如，肠道类器官的构建依赖于肠道上皮干细胞（Lgr5+细胞），这些细胞具有强大的自我更新和分化能力，能够在体外形成包含隐窝-绒毛结构的迷你肠道。类似地，肺部类器官、肝脏类器官和肾脏类器官的构建也离不开相应部位的上皮细胞。
上皮细胞在类器官中的重要性不仅体现在其结构构建上，还在于其功能性表达。
上皮细胞在类器官中的功能
上皮细胞在类器官中不仅提供了结构支持，还承担了器官的特定功能。例如：
- 肠道类器官：上皮细胞负责吸收和分泌功能，类器官中的杯状细胞分泌黏液，潘氏细胞分泌抗菌肽。
- 胃类器官：上皮细胞分泌胃酸和消化酶，模拟胃的消化功能。
- 肝脏类器官：上皮细胞（肝细胞）负责代谢和解毒功能，类器官可以模拟肝脏的代谢活动。
- 肺类器官：上皮细胞（如纤毛细胞和肺泡细胞）负责气体交换和黏液清除功能。
肠上皮细胞在类器官中的功能
哺乳动物胃肠道中存在着大量先天性免疫细胞和适应性免疫细胞，以及数以万亿计的有益共生微生物，这些细胞需要屏障和调节机制来保护宿主与微生物之间的相互作用以及组织的平衡。这种平衡依赖于肠上皮细胞（IECs）的多种功能，其中包括共生细菌的物理隔离和微生物信号的整合。因此，肠上皮细胞是肠道平衡的关键介质，它能建立一个有利于共生细菌定植的免疫环境。
- 肠上皮细胞（IECs）提供了一道物理和生化屏障，隔离宿主组织和共生细菌，维持肠道平衡。分泌型 IEC 通过分泌粘蛋白和抗菌肽来支持这一功能。
- IECs 保持着专门的途径，将管腔抗原和细菌传递给固有层抗原递呈细胞。
- IECs 可识别微生物信号，促进肠道平衡。宿主与共生微生物之间的相互作用不仅支持损伤或急性炎症情况下的组织修复，还能在慢性炎症期间促进肠癌的发展。
- IECs 具有维持对微生物信号的反应性改变的机制，可耐受与共生细菌的持续接触。
- IECs 向粘膜免疫细胞传递微生物信号，并促进针对普通细菌和肠道病原体的适当免疫反应的协调。抗原递呈细胞和 IECs 之间的相互作用调节着作用于肠道屏障的 B 细胞和 T 细胞反应。
- 先天性和适应性效应细胞的功能和稳态都受到 IEC 衍生信号的影响。这使得 IECs 能够局部调节肠屏障的免疫反应，并促进肠道平衡的维持。
图1.IECs 可调节先天性免疫和适应性免疫
2009 年 Sato 等人成功分离了单个 Lgr5+ 肠道干细胞 , 并将其与基质胶混合，同时添加几种必需生长因子 EGF，Noggin，Wnt和 R-spondin1等，发现 Lgr5+ 干细胞能够长成球状 3D结构，这便是最早的类器官。
研究表明肠道类器官内部具有完整的肠道上皮结构，而且含有所有种类的肠上皮功能细胞，包括肠上皮各类细胞。肠道类器官含有多个隐窝结构，并相互连接形成中间有肠腔的迷你肠。每个类器官的隐窝含有与体内隐窝相似的 Lgr5+ 干细胞数量。干细胞分化出所有种类的细胞，这些细胞沿隐窝底部向绒毛部分迁移，并最终脱落进入腔。类器官长大成熟后，可通过出芽的方式形成更多的类器官，并可持续传代培养并保持基因组稳定。肠道类器官具有与体内隐窝类似的结构，底部干细胞与潘氏细胞间隔排列，其上是 TA 细胞和成熟细胞。这些隐窝结构由单层的类似绒毛细胞的结构相连接，同样有沿隐窝底部向绒毛部分的细胞迁移，死亡细胞从绒毛部分脱落进入腔。肠道类器官可以在培养皿内连续传代培养数月以上，而不失去原本体内隐窝的特性，始终具有正常的染色体数。表达谱分析也表明，培养的类器官和刚分离的新鲜隐窝的表达谱非常类似，且与隐窝的来源保持一致。
此外，上皮细胞与类器官技术的结合还为再生医学带来了新的希望。通过基因编辑技术对上皮细胞进行修饰，科学家可以构建功能增强的类器官，为器官移植和损伤修复提供潜在的解决方案。
综上所述，上皮细胞不仅是类器官构建的核心驱动力，更是推动类器官技术在基础研究、疾病治疗和再生医学中广泛应用的关键因素。随着技术的不断进步，上皮细胞与类器官的结合必将为生命科学和医学领域带来更多突破性进展。
参考文献：
- Sato, T., et al. (2009). Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature, 459(7244), 262-265.
- Clevers, H. (2016). Modeling Development and Disease with Organoids. Cell, 165(7), 1586-1597.
- Drost, J., & Clevers, H. (2018). Organoids in cancer research. Nature Reviews Cancer, 18(7), 407-418.
- Lancaster, M. A., & Knoblich, J. A. (2014). Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies. Science, 345(6194), 1247125.
- Peterson, L. W., & Artis, D. (2014). Intestinal epithelial cells: regulators of barrier function and immune homeostasis. Nature Reviews Immunology, 14(3), 141-153.
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