《mLife》：Exploring microorganism–host interactions: Emerging organoid models and analytical approaches
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本文综述了近年来在微生物-宿主相互作用研究领域，基于人类干细胞或组织祖细胞构建的类器官（Organoid）模型及其整合分析技术的进展。相较于传统细胞系培养与动物模型，类器官凭借其三维结构与更贴近体内环境的特性，为精确模拟病原体与益生菌在皮肤、肠道、呼吸道等器官中的感染、定植、免疫响应及致病机制提供了革命性平台。本文系统梳理了各类器官模型（如肠道、皮肤、呼吸道、泌尿生殖道及血脑屏障类器官）的应用实例、优势（如模拟组织屏障、研究人类特异性病原体）及其当前局限性（如缺乏血管化及免疫组分）。同时探讨了器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）技术与空间转录组学、多组学整合等先进分析方法在深化机制研究中的作用与挑战，并展望了人工智能（Artificial Intelligence, AI）辅助分析的前景。本文为研究者选择合适模型与分析方法、全面理解宿主-微生物互作提供了系统参考。
微生物-宿主相互作用研究的新兴利器：类器官模型
微生物（包括细菌、真菌等）与人体健康息息相关，其相互作用机制是疾病研究与健康管理的关键。传统研究主要依赖二维（2D）细胞系培养与动物模型，但它们分别存在生理结构单一、物种差异大等问题。近年来，源自人类干细胞或组织祖细胞、能够自组装形成三维（3D）结构的类器官异军突起，为精准模拟不同器官（如肠道、皮肤、肺）的微环境及其与微生物的动态互作开辟了新途径。
超越传统：为何选择类器官？
类器官的核心优势在于其生理相关性。它能复现体内器官的关键细胞类型与结构，例如肠道类器官包含成熟的肠上皮细胞、潘氏细胞、杯状细胞等；呼吸道类器官在气液界面培养下能形成纤毛与黏液层，模拟真实的气道屏障。这种仿生结构使得感染研究更贴近临床情境。
相较于动物模型，类器官为研究人类特异性病原体（如莫拉克斯氏菌）或需要特定宿主细胞才能复制的微生物提供了可能。同时，它提供了一个可控的实验平台，能排除体内复杂因素的干扰，专注于细菌与上皮细胞的直接作用。此外，类器官也充当了连接小鼠研究与人类研究的桥梁，用于验证动物模型发现的机制。
应用实例：各类器官模型大展身手
肠道类器官：作为人体最大的微生物栖息地，肠道是研究的重点。通过类器官，研究者得以精细观察沙门氏菌、李斯特菌的入侵路径及其诱导的屏障破坏过程。例如，微注射携带pks基因岛（编码大肠杆菌素合成酶）的大肠杆菌进入结肠类器官并长期共培养后，直接在宿主上皮细胞中诱导出了与结直肠癌相关的独特突变特征。类器官还能用于评估益生菌（如嗜黏蛋白阿克曼氏菌）对上皮修复的效应，或研究肠道菌群整体变化引发的炎症反应。
皮肤类器官：能够模拟包含表皮、真皮甚至附属器的完整皮肤结构，用于研究皮肤感染性疾病。例如，红色毛癣菌感染模型揭示了其上调抗炎因子IL-1RN以适应宿主皮肤并维持慢性感染的能力。皮肤类器官还能用于评估耐甲氧西林金黄色葡萄球菌生物膜对抗生素的反应，或研究痤疮丙酸杆菌与金黄色葡萄球菌在宿主环境下的竞争关系。
呼吸道类器官：这类模型在模拟囊性纤维化、慢性阻塞性肺病等慢性呼吸系统疾病的感染方面表现突出。例如，来自囊性纤维化患者的类器官能够同时复现CFTR通道功能障碍、黏液积聚等病理特征，并支持耐药脓肿分枝杆菌的生长，有助于发现新的治疗靶点（如NRF2-NQO1抗氧化通路）。研究还发现，铜绿假单胞菌会特异性入侵并杀死杯状细胞，从而破坏上皮屏障。
泌尿生殖道类器官：由膀胱或输尿管祖细胞构建的类器官，可模拟尿路上皮的层次结构和对尿液的耐受性，是研究尿路感染中病原体（如尿路致病性大肠杆菌）形成细胞内细菌群落或静止细胞内库等逃逸机制的理想模型。
输卵管与胃类器官：人输卵管类器官能长期维持沙眼衣原体的慢性感染，这是传统细胞系无法做到的，从而揭示了病原体如何通过激活LIF信号通路来增加宿主细胞的干性。胃类器官则为研究幽门螺杆菌与不同胃上皮细胞谱系的相互作用及其致癌机制提供了更贴近生理的平台。
进阶整合：器官芯片与先进分析技术
单纯的类器官模型仍缺乏血管系统和免疫细胞。器官芯片技术通过微流控系统，将类器官与内皮细胞、免疫细胞等整合在可控的流体环境中，更真实地模拟感染过程中的免疫反应和细胞间通讯。例如，在包含血管的“膀胱芯片”中，可以观察到免疫细胞如何响应感染并穿过内皮屏障，以及抗生素为何难以清除细胞内细菌群落。
在分析技术层面，研究已从转录组测序向单细胞分辨率和空间多组学整合迈进。空间转录组学技术（如Nanostring GeoMx）允许在组织或类器官切片上同时定位宿主与病原体的基因表达，揭示感染界面的分子特征。例如，在铜绿假单胞菌感染的角膜组织中发现，铁获取相关基因在宿主-病原体界面显著富集。整合蛋白质组学、代谢组学等多维度数据，能够更全面地解析宿主应对感染时的系统性分子重编程。
局限与展望：正视挑战，未来可期
尽管前景广阔，但类器官模型仍有其局限性。最主要的是缺乏完整的血管系统和免疫组分，限制了其对全身性免疫反应和炎症过程的模拟。类器官的成熟度（尤其由诱导多能干细胞衍生而来时）以及与成体组织的差异仍需优化。此外，患者来源的类器官存在个体差异，实验结果的解读需谨慎。
因此，类器官应当作为传统模型的补充而非替代。结合动物实验和临床研究进行交叉验证，方能获得更可靠的结论。未来，随着类器官构建技术（如整合更多细胞类型、优化培养条件）与人工智能辅助的数据分析方法的不断发展，我们有望在更加逼真的“人工器官”中，以前所未有的精度揭示微生物与宿主之间复杂而精密的相互作用网络，为攻克感染性疾病、开发新型疗法铺平道路。
