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干細胞誘導的人小腸上皮模型用于藥物吸收的體外研究
來源:蘇州北科納米 瀏覽 588 次 發(fā)布時間:2022-09-16
小腸(hSI)是人類重要的器官,執(zhí)行著包括消化在內(nèi)的眾多功能,包括但不限于初始和選擇性屏障活動、營養(yǎng)吸收、宿主-微生物相互作用,以及宿主防御和免疫反應的調(diào)節(jié)??诜o藥是最常見的給藥方式,許多藥物在小腸中被吸收并開始代謝。過去十年,研究者嘗試總結(jié)體內(nèi)腸道復雜生理功能的各個方面,并利用人類結(jié)腸腺癌細胞系(Caco-2)以及人工膜系統(tǒng),來建立評估藥物在小腸中的吸收和代謝的實驗模型。然而,現(xiàn)有的模型無法充分模擬hSI的功能,也無法反映藥物轉(zhuǎn)運體、藥物代謝酶和緊密連接的表達模式所扮演的重要作用。此外,這些模型中缺乏細胞色素P450酶(CYP3A4),而hSI中最豐富的藥物代謝酶正是P450,這導致了Caco-2模型不適合研究腸道首過效應和生物利用度。近年來,原代人腸上皮細胞(hIEC)模型的發(fā)展取得了顯著進展,例如3D人體腸道類器官(hIOs)。但由于人體腸道類器官內(nèi)缺乏增殖細胞群,難以將腸上皮細胞培養(yǎng)成融合的單分子層,因此從人體腸道類器官生成單層hSI模型十分困難。
鑒于此,韓國生命工學研究院的一項研究開發(fā)了一種重復性良好的兩步方法來誘導人多能干細胞分化為可擴大的hIEC祖細胞和具有功能性的hIEC單層細胞。
為了從人多功能干細胞(hPSCs)中獲得單層hSI模型,研究者建立了一種新的定向分化方案,來模擬體內(nèi)腸道發(fā)育過程。該方案采用激活素A(Activin A)、表皮生長因子(EGF)、Wnt信號通路激動劑R-spondin 1和胰島素等來誘導hPSCs向hIEC祖細胞分化,并進一步分化為有功能性的hIEC。經(jīng)過長時間傳代后(大于10代,培養(yǎng)大于5個月),腸細胞標記物和緊密連接分子的表達沒有明顯變化,腸上皮功能相關(guān)實驗同樣使用Transwell系統(tǒng)。
圖1|由hPSCs分化hIECs的過程與相關(guān)表征
由于在hSI中,Wnt的抑制和Notch的激活有助于祖細胞分化為吸收前上皮細胞,研究者使用了Wnt信號抑制劑Wnt-c59和Notch信號激動劑丙戊酸(VPA),來進一步將hIEC祖細胞分化為與體內(nèi)類似的成熟且有功能的hIEC。與其他僅由吸收性腸細胞組成的小腸上皮模型相比,該系統(tǒng)可以模擬體內(nèi)樣腸組織進行研究。與未成熟的hIECs相比,功能性hIECs形成了一個結(jié)構(gòu)極化的單層,并觀察到了類似杯狀細胞分泌出的粘液。此外,功能性單分子層hIEC的頂表面接觸的細菌數(shù)量明顯更高,并且黏液蛋白和黏液蛋白相關(guān)基因的表達在功能性hIEC中顯著增加能夠允許腸道微生物群的持續(xù)定植。
圖2|功能性hIECs單層模型的結(jié)構(gòu)與功能表征
隨后,研究分析了各種腸道轉(zhuǎn)運體和代謝酶的表達水平,通過RNA測序與酶活性檢測,發(fā)現(xiàn)腸道堿性磷酸酶(IAP)和CYP3A4在功能性hIEC中表達量相當高,這些結(jié)果表明功能性hIEC具有藥物轉(zhuǎn)運體和藥物代謝酶活性,是評價藥物體外生物利用度所必需的。本研究使用了6種臨床藥物:美托洛爾、普萘洛爾、雙氯芬酸、雷尼替丁、呋塞米和紅霉素,進行體外藥物吸收試驗,發(fā)現(xiàn)與Caco-2模型不理想的體內(nèi)外相關(guān)性相比,功能性hIEC與已公布的人體內(nèi)腸道吸收數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)性良好,說明功能性hIEC可以更好地預測人的口服生物利用度和吸收程度。
圖3|6種臨床模型藥物在功能性hIECs與Caco-2模型上吸收的擬合結(jié)果
總而言之,此研究發(fā)明了一套可靠且完善的hIECs培養(yǎng)系統(tǒng),可以用來產(chǎn)生具有接近體內(nèi)功能的小腸上皮單層,以取代目前的體外模型,提供一個新的通用的藥物體外腸吸收的檢測平臺。