腸道幹細胞最新研究進展

文章來源於：生物谷，版權歸原作者所有

2018年11月14日/生物谷BIOON/---從分子的角度來看，腸道是一個嘈雜的地方，各種人類細胞和微生物細胞彼此之間相互溝通，從而維持一種穩健而又健康的細胞群落。這個細胞群落的關鍵是腸道幹細胞(intestinal stem cell)，它們產生多種細胞類型，從而有助於保 持腸道功能正常。腸道幹細胞位於腸黏膜隱窩基底部，即基底隱窩是腸道幹細胞的細胞庫。正常情況下，位於隱窩基底部的腸道幹細胞不斷向隱窩頂部(腸腔方向)遷移，整個遷移過程大約3至5天，在遷移過程中腸道幹細胞分化形成不同的腸粘膜細胞。

針對腸道幹細胞研究近期取得的進展，小編進行了一番盤點，以饗讀者。

1.Cell：輔助性T細胞竟調節腸道幹細胞的自我更新和分化

doi:10.1016/j.cell.2018.10.008

在一項新的研究中，來自美國布羅德研究所等研究機構的研究人員宣布他們檢測到一部分腸道幹細胞與生活在腸道中的輔助性T細胞(Th細胞)之間存在一種新的交談形式。他們發現這些腸道幹細胞產生MHC II，即一種允許免疫細胞與其他細胞之間交談的表面蛋白複合物 ，所產生的MHC II會激活Th細胞。最後，他們發現這些腸道幹細胞也對附近的Th細胞產生的細胞因子作出反應。相關研究結果於2018年11月1日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「T Helper Cell Cytokines Modulate Intestinal Stem Cell Renewal and Differentiation」。

圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.10.008。

然而，腸道幹細胞如何作出反應取決於它們接收到的細胞因子信號類型。與炎症相關的細胞因子促進腸道幹細胞開始分化---產生在腸道內壁中發現的不同細胞類型，這可能有助於腸道組織對損傷或感染作出反應。相比之下，腸道幹細胞對起調節作用的細胞因子作出反應 ，在感染清除後通過自我更新協助降低免疫反應。這可能有助於腸道在修復後補充和維持它的腸道幹細胞庫。

2.Cell Stem Cell：禁食增強腸道幹細胞的再生能力

doi:10.1016/j.stem.2018.04.001

隨著人們年齡的增加，他們的腸道幹細胞開始喪失再生能力。這些幹細胞是所有新的腸道細胞的來源，因此這種再生能力下降可能使得從胃腸道感染或影響腸道的其他疾病中康復過來更加困難。

根據來自美國麻省理工學院的研究人員的一項新的研究，這種年齡相關的腸道幹細胞功能喪失能夠通過24小時禁食加以逆轉。他們發現禁食顯著地改善年老小鼠和年輕小鼠中的腸道幹細胞再生能力。相關研究結果發表在2018年5月3日的Cell Stem Cell期刊上，論文標題 為「Fasting Activates Fatty Acid Oxidation to Enhance Intestinal Stem Cell Function during Homeostasis and Aging」。論文通信作者為麻省理工學院的David M. Sabatini和?mer H. Yilmaz。論文第一作者為麻省理工學院的Maria M. Mihaylova和Chia-Wei Cheng。

在禁食小鼠中，細胞開始分解脂肪酸而不是葡萄糖，這種變化增強腸道幹細胞的再生能力。 這些研究人員發現他們也能夠利用一種激活相同代謝開關的分子促進再生。這些研究人員說，這種干擾能夠潛在地有助於老年人從胃腸道感染中康復過來，或者讓接受化療的癌症 患者從中受益。

3.Nature：利用一種新的水凝膠在體外培養類器官

doi:10.1038/nature20168

類器官(organoid)是能夠在實驗室中利用人的幹細胞培養出的微型器官。它們能夠被用來構建疾病模型，而且在未來可能被用來測試藥物或者甚至替換病人體內受損的組織。但是當前的類器官在一種標準化的可控方法中非常難以培養，其中這種方法是設計和使用它們 的關鍵。如今，EPFL研究人員通過開發出一種正在申請專利的「水凝膠」而解決了這個問題，其中這種水凝膠提供一種完全可控的和可調整的方法來培養類器官。這一突破性發現於2016年11月16日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「Designer matrices for intestinal stem cell and organoid culture」。

圖片來自Nature, doi:10.1038/nature20168。

論文第一作者Nikolce Gjorevski和他的同事們利用這種水凝膠讓腸道幹細胞長出一種微型腸道。這種功能性的水凝膠不僅是一種目標，而且也是鑒定影響這些幹細胞擴增和培養類器官的能力的因子。通過仔細地調整這種水凝膠的性質，他們發現這種類器官形成過程的不 同階段需要不同的力學環境和生物組分。

一個這樣的因子是纖連蛋白(fibronectin)，它協助這些幹細胞附著到這種水凝膠中。Lütolf實驗室發現這種附著本身在培養類器官中發揮著非常重要的作用，這是因為它提供許多信號給它們，告訴它們生長和產生一種類似腸道的結構。研究人員也發現這種水凝膠的物 理硬度在調節腸道幹細胞行為中發揮著一種不可或缺的作用，從而有助認識細胞如何能夠感知和處理物理刺激，並對這些物理刺激作出反應。這種認識是特別有價值的---儘管生化信號對幹細胞的影響是為人所熟知的，但是物理因子的影響是個謎。

4.Cell：什麼?腸道細菌代謝物抑制腸道幹細胞增殖

doi:10.1016/j.cell.2016.05.018

腸道幹細胞是身體中最為快速分裂的細胞之一，忙於產生新的腸道細胞來替換持續被丟棄的腸道細胞。但是不同於體內其他地方的幹細胞，腸道幹細胞隱藏在腸道隱窩中。

如今，在一項新的研究中，來自美國華盛頓大學聖路易斯醫學院的研究人員發現腸道幹細胞位於腸道的「口袋(編者註：腸道隱窩)」中，從而避免接觸生活在腸道中的有益細菌大量製造的一種代謝物。這種代謝物---丁酸---限制腸道幹細胞增殖，從而潛在地抑制腸道 在遭受急性損傷或者因炎症性腸病(如克羅恩病和結腸炎)遭受損害後自我修復。相關研究結果於2016年6月2日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「The Colonic Crypt Protects Stem Cells from Microbiota-Derived Metabolites」。

研究人員證實正常情形下，腸道內壁中的被稱作利氏腸腺隱窩(crypt of Lieberkuhn)的微小口袋讓腸道幹細胞免受丁酸的損害。但是，當腸道遭受破壞時，丁酸能夠接觸到這些幹細胞，並限制它們的增殖。

5.Nature：揭秘高脂飲食如何影響個體結腸癌的發生

doi:10.1038/nature17173

近日，刊登於國際著名雜誌Nature上的一項研究報告中，來自美國達納-法伯癌症研究所(Dana-Farber Cancer Institute)的研究人員通過研究揭示了高脂肪飲食如何促使腸道內皮細胞更加易於癌變，研究者發現，肥胖、高脂肪及高卡路里飲食是引發許多類型癌症的明顯 風險因子。

文章中，研究者Semir Beyaz指出，對小鼠進行研究我們發現，高脂肪飲食可以驅動腸道幹細胞數量激增，同時也會產生一系列其它同幹細胞行為非常類似的細胞，也就是說這些細胞可以進行無限期地繁殖並且分化成為其它類型的細胞，這些幹細胞及幹細胞樣細胞更加易 於引發腸道腫瘤。此前研究發現，肥胖個體更易於患結直腸癌，而且腸道幹細胞更易於積累突變引髮結腸癌，這些幹細胞位於腸道內側，名為上皮細胞，其可以產生多種類型的細胞從而形成上皮結構。

文章中研究者對健康小鼠餵食以60%脂肪含量的飲食長達9-12個月，同時調查了小鼠機體中腸道幹細胞和肥胖相關癌症之間的關聯，典型的美式飲食中通常包含有20%-40%的脂肪，而高脂肪飲食的小鼠體重指數可以增加30%-50%，同時相比正常飲食的小鼠而言，這類小鼠更 易於發生腸道腫瘤。高脂肪飲食的小鼠通常在腸道幹細胞上會表現出明顯的改變，相比正常飲食的小鼠而言，其不僅擁有較多的腸道幹細胞，而且這些幹細胞可以自行運轉。

這項研究非常重要，因為我們都知道，位於腸道中的幹細胞通常會獲取產生腫瘤的突變，而我們的機體不僅擁有大量傳統的幹細胞，而且還擁有一些非幹細胞的細胞群體，其也有可能產生突變最終引發腫瘤產生。

6.Nature：有性別的器官

doi:10.1038/nature16953

最新的研究表明，我們的身體除了性器官，其他的器官也存在著性別的差異。我們的器官可能是「男性」或「女性」的，這可能意味著女性和男性在疾病治療的過程中需要區別對待。這個研究還可以解釋為什麼有些癌症多見於女性，而其他則多見於男性。這項研究發表 在《Nature》上，由英國倫敦國王學院臨床醫學中心(CSC)的科學家在果蠅中進行研究。

CSC團隊檢查了果蠅腸道幹細胞。他們使用的遺傳學工具，使他們能夠打開或者關閉這些細胞中的某些基因。這允許他們改造這些幹細胞變得更「雌性化」或者更「雄性化」。然後他們試圖擴增這些細胞。他們發現，「雌性化」的細胞能更好地增殖。

這種增強的能力似乎允許雌蠅繁殖期間腸道的增長。先前的研究已經表明，交配後，雌蠅腸道尺寸重新調整，和改變代謝來維持再生產。在目前的研究中，研究小組發現，「雌性化」的腸道幹細胞的影響是可逆的。取出雌果蠅腸道幹細胞並將其「雄性化」改造，發現三 周后，這些細胞出現「雄性化」傾向，細胞會變小。

7.Nature：利用CRISPR/Cas9構建出結直腸癌類器官

doi:10.1038/nature14415

科學家們經常利用含有蛋白WNT、R-spondin和表皮生長因子EGF的培養基長期培養小鼠和人類的腸道幹細胞，從而腸道幹細胞形成遺傳學和表型穩定的上皮類器官。在一項新的研究中，美國和荷蘭的研究人員將CRISPR/Cas9基因編輯技術用於體外培養的人類腸道幹細胞， 先後導入了四個常見的結直腸癌基因突變(APC、P53、KRAS和SMAD4)，從而建立了結直腸癌類器官。這表明結直腸癌很有可能是通過多次獲得基因突變而產生的。攜帶這四種突變的腸道幹細胞在WNT、R-spondin和表皮生長因子EGF不存在的情形下仍然能夠生長。相關研 究結果發表在Nature期刊上，論文標題為「Sequential cancer mutations in cultured human intestinal stem cells」。

8.Cell Rep：腸癌幹細胞被調節引發腸癌的分子機理

doi:10.1016/j.celrep.2015.01.007

近日，發表在國際雜誌Cell Reports上的一篇研究論文中，來自美國桑福德-伯納姆醫學研究所(Sanford-Burnham Medical Research Institute)的研究人員通過研究發現了一種新型的精細幹細胞信號通路，如果該通路被打斷則會引發腸道腫瘤，相關研究或可幫助理解 幹細胞如何引發腫瘤，並且可以幫助研究人員尋找靶向作用幹細胞的分子來抑制腸癌的發生、發展和複發。

圖片來自Cell Reports, doi:10.1016/j.celrep.2015.01.007。

Jorge Moscat博士指出，大量證據表明，癌症幹細胞對於癌症發生、發展、轉移、複發以及產生耐藥性都非常關鍵，本文這項研究揭示了調節幹細胞的一種級聯信號，並且研究者還發現該通路對於設計新型靶向抗癌療法非常必要。研究者表示，一種名為C-zeta (PKC- zeta)的蛋白激酶正常情況下可以通過下調兩種信號通路：β-連環蛋白和Yap來抑制幹細胞的活性;此前研究發現，PKC-zeta可以扮演一種腫瘤抑制子的角色來維持腸道幹細胞的自我平衡，而當前研究正揭示了上述過程發生的分子機制。

腸道組織由單層的上皮細胞所覆蓋，其每隔3-5天都會更新，而移除腸道幹細胞的細胞庫往往需要被調節來維持自我平衡;研究者說道，如果幹細胞活性增加，特別是在腸道缺失PKC-zeta時，就很有可能引發腸道腫瘤。利用一種遺傳工程化的患腸癌的小鼠模型進行研究， 研究人員就可以在人類結腸腺癌組織中PKC-zeta、β-連環蛋白和Yap致癌特性，而β-連環蛋白和Yap則是PKC-zeta功能的潛在靶點，其為後期開發抗癌療法也帶來了極大幫助。

9.Cell Rep：科學家首次揭示人類腸道幹細胞的行為機制

doi:10.1016/j.celrep.2014.07.019

近日，來自倫敦大學瑪麗女王學院的研究人員通過研究首次發現了人類腸道中幹細胞的行為機制，相關研究刊登於國際雜誌Cell Reports上，或為腸癌的早期發現以及預防措施提供一定的思路和幫助。

文章中，研究者利用一種特殊開發的「工具盒」對人類機體的幹細胞進行研究，這種新型工具盒可以隨機測定老化幹細胞的突變情況，這種突變情況正表明了幹細胞所發生的行為;在本項研究開展之前，關於人類腸道幹細胞生物學的分子機制依然是個謎，而在這篇研究 報道中研究者就解開了這一謎題;研究者利用小鼠進行試驗，由於小鼠的腸道特性和人類的腸道特性具有明顯的相似性，因此利用小鼠進行研究得到的結果就可以轉化到人類機體中。

與此同時，該研究的結果也可以應用於人類機體其他組織，比如皮膚、肺部和乳腺等;揭示幹細胞在人類腸道中的行為機制將是幹細胞研究領域的一大飛躍，截至目前研究人員更多的是利用小鼠來進行研究或者是將幹細胞置於自然環境中進行研究，這就扭曲了幹細胞的 正常行為表現;而這項研究中研究者利用開發的新型工具來揭示腸道幹細胞的行為表現，這就可以明顯增加研究人員對於腸癌發生的理解。

10.Cell Rep:科學家應用單細胞分析發現小腸幹細胞分化的過渡態

doi:10.1016/j.celrep.2016.07.056

近日，來自美國哈佛大學醫學院的研究人員在國際學術期刊Cell Reports上發表了一項最新研究進展，他們利用單細胞分析技術發現Lgr5+小腸幹細胞來源的祖細胞實際上包含了兩個不同的細胞群體，進一步揭示了小腸幹細胞分化過程的最早期步驟。

為了確定小腸幹細胞分化的早期轉變特徵，研究人員使用一種微流體學方法檢測了單個LGR5+細胞的乾性基因和譜系特異性基因的轉錄。結果發現了兩個不同的細胞群體，其中一群表達已知的小腸幹細胞標記物，另外一個較大的細胞群同時表達乾性標記物和成熟細胞的標 記物。

研究人員也在動物模型體內通過單分子mRNA原位雜交和免疫熒光技術證實了LGR5+細胞中一個亞群存在譜系特異性基因的表達。基因轉錄網路分析進一步揭示其中一個LGR5+細胞群不僅來自另外一群細胞，還表現出預期的雙潛能祖細胞的特徵，包括Notch配體激活和細胞周 期抑制因子的激活。

11.Cell Rep：Notch 和 Wnt調節小腸幹細胞分化平衡新機制

doi:10.1016/j.celrep.2015.03.007

近日，國際學術期刊cell reports在線發表了美國科學家的一項最新研究進展，他們發現在小腸幹細胞和小腸穩態調節過程中，Notch和Wnt信號扮演了重要調控作用，阻斷Notch信號會引起小腸幹細胞分化失衡，並且在這一過程中伴隨對Wnt信號途徑的抑制解除。

圖片來自Cell Reports, doi:10.1016/j.celrep.2015.03.007。

器官的穩態平衡需要對成體幹細胞進行嚴格調控，並通過多種信號整合實現幹細胞向終末細胞的分化過程。在小鼠的小腸中，Notch和wnt信號對於小腸幹細胞維持以及腸道負責消化液分泌的細胞和負責營養吸收的細胞之間的分化平衡都是非常必要的。

研究人員發現當Notch信號受到抑制，小腸幹細胞傾向於向分泌細胞方向分化，而影響營養吸收細胞的分化過程。研究人員利用具有功能阻斷特性的抗體特異性阻斷Notch受體，結果發現阻斷Notch信號會解除對Wnt信號途徑的抑制作用，擾亂小腸幹細胞的正常功能，導致 促分泌功能相關基因的錯誤表達。同時，研究人員還發現抑制wnt信號通路能夠恢復因Notch信號阻斷所造成的表型。

12.Stem Cells：首次分離出人腸道幹細胞

doi:10.1002/stem.1391

在一項新的研究中，來自美國北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員首次從人腸道組織中分離出成體幹細胞。這一發現給科學家們提供急需的資源以便揭示出人類幹細胞的確切生物學機制。它也能夠讓科學家們探索新的策略來治療炎症性腸病或緩解因化療和放療經常導 致腸道損傷而帶來的副作用。相關研究結果於2013年4月4日在線發表在Stem Cells期刊上，論文標題為「CD24 and CD44 Mark Human Intestinal Epithelial Cell Populations with Characteristics of Active and Facultative Stem Cells」。

Magness 實驗室在美國曾經首次從小鼠體內分離出和培養單個腸道幹細胞，因此當在人組織中尋求類似的幹細胞時，他們有這方面的優勢。此外，研究人員也能夠獲得人小腸組織切片來開展實驗，其中小腸組織是在胃分流術(gastric bypass surgery)中被切除下來的， 並且通常被拋棄掉。

為了開發這種技術，研究人員研究了他們在小鼠體內採取的方法是否會在人組織中起作用。他們首先觀察在小鼠腸道幹細胞表面上發現的分子是否同樣在人腸道幹細胞中存在。他們發現這些被稱作CD24和CD44的特異性分子確實在小鼠和人體內是一樣的。他們然後將熒光 標記附著到這些分子上，並利用一種特殊的被稱作熒光激活細胞分選儀(fluorescence activated cell sorter)的機器鑒定和分離出來自人小腸樣品中的幹細胞。

研究人員發現他們不僅能夠從人腸道組織中分離出人幹細胞，而且他們也能夠分離出不同類型的腸道幹細胞。對幹細胞研究人員而言，兩類腸道幹細胞---活躍腸道幹細胞和儲備腸道幹細胞---是一個熱門話題。為此，幹細胞研究人員仍然一直試圖找出儲備幹細胞如何周 期性地激活從而彌補因損傷、化療或化療而遭受損傷的活躍幹細胞。

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