《Proceedings of the National Academy of Sciences》：Quantifying the fidelity of in vitro human cell culture systems using a biomedical foundation model
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为解决体外细胞培养系统缺乏定量评估标准的难题，研究者以人类肠道上皮为模型，开发了可长期培养多能干细胞及多种分化谱系的体外平台。结合在单细胞RNA测序数据上预训练并微调的生物医学基础模型（BMFM-RNA），研究人员成功将体外分化的多种分泌细胞类型与体内对应细胞类型进行了量化对标，证明其具有高保真度，为建立标准化的模型评估方法提供了新框架。
肠道，这个蜿蜒在人体腹腔内数米长的“工厂”，每天承担着消化、吸收、免疫防御和激素分泌等多重任务。理解其复杂功能，特别是与人类疾病（如炎症性肠病、癌症）的关系，是现代医学研究的关键。为此，科学家们建立了多种体外细胞培养模型，试图在培养皿中重现肠道上皮的复杂结构。然而，一个根本性的挑战横亘在研究者面前：我们如何知道，我们在实验室培养皿中培养出的细胞，与人体内真实的细胞有多相似？缺乏一个客观、定量的“黄金标准”来评估体外模型的保真度，已成为领域发展的瓶颈。这不仅阻碍了研究成果的相互比较，也引发了研究可重复性的危机。为了回答“体外培养的细胞究竟有多像体内细胞？”这个核心问题，一支研究团队开展了一项开创性的工作。
这项研究发表在顶级期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。研究人员将优化的体外细胞培养平台与前沿的计算生物学方法相结合，为评估体外模型系统的质量建立了一个可量化的基准测试（benchmark test）。他们主要运用了以下关键技术方法：
首先，建立了优化的气液界面（Air-Liquid Interface, ALI）二维（2D）培养系统，用于长期培养和分化来自非疾病供体直肠活检样本的人肠道上皮干细胞，使其在组织学和分子层面具备分化特征。其次，对体外培养细胞进行了单细胞RNA测序（scRNAseq），以揭示其转录组异质性。最后，也是本研究的核心，是利用了生物医学基础模型（BMFM-RNA）。这是一个在大型公开scRNAseq数据集上预训练、并在特定领域数据上微调的模型。研究团队设计了一个名为COMPARATOR（Computational Omics-based Modeling for Predictive Analysis and Response Alignment for Transfer Optimization to Real-world systems）的计算流程，利用BMFM-RNA进行跨平台、跨来源的细胞类型分类和标签转移实验，从而定量评估体外细胞与体内活检细胞之间的相似性。
结果
ALI培养平台支持成熟吸收性和分泌性肠道上皮细胞的分化
研究者从人直肠上皮干细胞培养起，通过优化的ALI培养技术建立了二维单层细胞培养模型。在培养第7天，细胞呈现出柱状形态，出现了杯状细胞（GC）样和肠上皮细胞（EC）样特征，细胞高度接近体内结肠组织的观测值，并且分化出了所有已知的丰富和稀有细胞谱系。增殖动力学研究表明，在培养早期存在短暂的超增殖现象，可能与体内粘膜再生过程相似。
通过传统和新方法对体内和ALI培养的肠道上皮细胞进行scRNAseq跨平台比较
对ALI培养第2天和第7天细胞的单细胞RNA测序分析显示，随着培养成熟，细胞群转录组分离度增加。在第7天，可以手动识别出包括干细胞、短暂扩增细胞、肠上皮细胞、杯状细胞、肠内分泌细胞和簇状细胞在内的11个主要细胞簇。与6名非炎症性肠病患者的升结肠活检样本相比，体外分化谱系的相对丰度相似。这表明ALI平台支持了人肠道中典型吸收和分泌谱系的分化。
杯状细胞来源于ALI平台，在功能和转录上与原发性人结肠杯状细胞相当
透射电子显微镜观察到体外分化出的杯状细胞具有典型的顶部分泌颗粒。基因表达分析和免疫荧光染色证实了粘蛋白编码基因MUC2的表达和功能性粘液层的形成，该粘液层能阻止志贺氏菌直接接触细胞。利用BMFM-RNA进行双向标签转移实验（从活检样本到体外培养细胞，以及反之），显示体外分化的杯状细胞与体内杯状细胞具有高度相似性，标记效率分别达到0.93±0.017和0.90±0.0057。
ALI培养使人直肠EEC所有已知亚群得以分化
转录组分析显示，在ALI培养第7天的细胞中，肠内分泌细胞（EEC）标记基因CHGA和NEUROD1富集。通过对EEC细胞簇进行亚群分析，识别出了5个离散的EEC亚群，包括表达GCG和PYY的L细胞、表达TPH1的肠嗜铬细胞、表达NEUROG3的EEC祖细胞，以及独特表达生长抑素（SST）的D细胞，这些亚群此前在人类结肠组织或类器官的scRNAseq研究中难以识别。免疫荧光染色结果佐证了scRNAseq的发现。通过BMFM-RNA进行标签转移实验，验证了体外与体内EEC的高度一致性。
体外分化的簇状细胞在转录上与体内簇状细胞同源
研究人员在体外培养物中识别出一个表达簇状细胞（TC）候选标记物TRPM5的小细胞簇。值得注意的是，在人类中常用的TC标记物DCLK1未在该簇中特异性表达，而替代标记物PTGS1和转录因子POU2F3则明显表达。该簇还特异性地表达与神经递质合成、转运和味觉感知相关的基因。然而，与小鼠研究不同，体外分化的TC未显示IL25的特异性表达。利用BMFM-RNA进行的双向标签转移实验显示，体外分化的TC与体内TC具有极高的相似性（活检到ALI：0.93±0.01；ALI到活检：0.92±0.01）。
结论与意义
本研究通过整合传统的组织病理学、分子生物学方法与单细胞转录组学及前沿的生物医学基础模型，首次系统地定量评估了体外肠道上皮细胞培养系统对体内生理状态的复现能力。研究表明，优化的ALI培养系统能够支持包括罕见细胞类型在内的所有主要肠道上皮谱系的自发分化，其细胞丰度与体内情况吻合。更重要的是，通过COMPARATOR工作流程和BMFM-RNA模型进行的标签转移实验，为体外分化的多种细胞类型（如杯状细胞、肠内分泌细胞及其亚型、簇状细胞）与体内对应细胞之间的高保真度提供了客观、定量的证据。
该研究的核心贡献在于建立了一个可用于定量评估体外细胞培养系统保真度的基准测试框架。这一框架有望解决当前生物医学研究领域因模型系统多样性和方法报告不完整而导致的比较和可重复性难题。它不仅能用于优化现有体外系统，使其更好地模拟特定的人类生理或病理状态，还能指导开发新的、更优的培养模型。这项研究将机器学习和人工智能领域广泛使用的“基准测试”概念成功引入生物医学研究，为未来定量比较和排名不同模型系统（如疾病模型、发育模型）与其目标系统（如患者样本）的相似性提供了方法论基础，有望推动整个领域的严谨性和可重复性，最终提升我们对人类肠道及其他器官的生物学理解及疾病研究能力。
