《Nature Biomedical Engineering》：Human inflammatory bowel disease-on-a-chip for modelling disease progression, cancer initiation and sex-specific effects
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炎症性肠病（IBD）患者表现出肠道屏障功能受损、黏液蓄积减少，以及炎症、纤维化和癌症风险升高；在妊娠期间，女性患者的症状往往进一步加重。该研究在人源来源的器官芯片（organ-on-a-chip）装置中重现了这些IBD标志性特征：装置内铺设来自IBD患者的结肠
炎症性肠病（IBD）患者表现出肠道屏障功能受损、黏液蓄积减少，以及炎症、纤维化和癌症风险升高；在妊娠期间，女性患者的症状往往进一步加重。该研究在人源来源的器官芯片（organ-on-a-chip）装置中重现了这些IBD标志性特征：装置内铺设来自IBD患者的结肠上皮细胞，并与来源匹配的成纤维细胞构建界面，在流动（flow）培养条件下，施加类似蠕动的机械运动，并灌流循环免疫细胞。异型组织重组（heterotypic tissue recombinants）的应用显示，IBD成纤维细胞是驱动多种IBD症状的主要因素。在IBD芯片中，炎症和纤维化可被类蠕动机械运动进一步增强；而在女性来源芯片中，妊娠相关激素暴露同样会加剧这些病理改变。暴露于致癌物后，IBD芯片与健康芯片相比表现出更强的炎症反应、更多的基因突变以及染色体复制。上述数据提示，肠道基质（stroma）、性激素以及与蠕动相关的机械形变，在驱动男女IBD患者的炎症、纤维化和疾病进展过程中具有关键作用。
该论文发表于《Nature Biomedical Engineering》，围绕炎症性肠病（IBD）的关键病理机制建立了高度人源化的结肠芯片模型，并据此系统解析了肠上皮—基质互作、机械微环境、性激素以及致癌刺激在疾病进展中的作用。IBD包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），其核心病理特征包括黏膜炎症、炎性细胞浸润、屏障通透性升高、保护性黏液层变薄以及肠壁纤维化。这些变化不仅导致持续性消化道功能障碍，也显著增加结直肠癌（CRC）风险。既往研究提示，现有治疗多以免疫细胞为靶点，但临床疗效存在个体差异，而上皮与下伏基质之间的相互作用可能同样深度参与炎症维持、组织重塑及肿瘤演进。然而，动物模型、传统体外细胞系和类器官体系均难以同时呈现上皮—基质界面、黏液屏障、流体流动、类蠕动机械刺激以及免疫细胞循环等器官层面特征，因此限制了对IBD真实病理过程的解析。基于此，研究人员开展本项研究，旨在利用器官芯片技术构建更贴近人类疾病状态的IBD模型，阐明疾病驱动因素，并探索其在癌症起始和女性特异性病理中的应用价值。
研究人员从健康供体及IBD患者结肠切除标本中，分离同一区域来源的结肠上皮类器官及基质成纤维细胞，并将二者分别接种于多孔细胞外基质（ECM）包被膜两侧，构建结肠芯片。该系统在持续灌流条件下培养，并可施加10%幅度、0.15 Hz的类蠕动周期性机械应变；部分实验中还向基质通道灌流外周血单个核细胞（PBMCs），或给予女性激素、妊娠相关激素组合与致癌物N-ethyl-N-nitrosourea（ENU）刺激。研究同时构建健康上皮/IBD基质、IBD上皮/健康基质等异型组织重组芯片，并结合转录组分析、细胞因子检测、流式细胞术、二次谐波成像（SHG，用于胶原纤维成像）、原子力显微镜（AFM，用于组织硬度测量）及浅层全基因组测序等方法进行综合分析。样本来源于Massachusetts General Hospital（MGH）和McGill University Health Centre的人结肠切除组织。
在总体结论上，研究表明：该人源IBD结肠芯片能够重现患者体内多项核心病理特征；其中，IBD基质成纤维细胞是驱动屏障破坏、炎症放大、免疫细胞募集、纤维化增强以及癌症起始易感性升高的关键因素。研究还证明，类蠕动机械刺激并非单纯生理背景，而可在IBD状态下促进炎症和纤维化进展；女性激素尤其是妊娠相关激素可直接作用于肠组织，并在女性IBD芯片中加剧病理反应。该工作的重要意义在于，它不仅为IBD病理生理研究提供了高保真人源模型，也为开展患者特异性的药物评估、寻找血液或粪便生物标志物、以及开发基质靶向治疗策略提供了实验基础。
在关键技术方法方面，研究主要采用以下几类策略：其一，从健康者与CD、UC患者结肠切除组织建立患者来源结肠类器官与配对成纤维细胞，并在商业化微流控器官芯片中重建上皮—基质界面；其二，通过持续流动培养、类蠕动周期应变和PBMCs灌流，模拟肠道流体、机械与免疫微环境；其三，构建同型与异型组织重组芯片，区分上皮与基质对病理表型的相对贡献；其四，运用转录组学、细胞因子谱分析、SHG、AFM及浅层全基因组测序评估炎症、纤维化与癌变早期事件。
以下结合论文结果部分的小标题，对研究主体进行浓缩解读。
Establishment of human healthy and IBD colon-on-a-chip devices
研究人员首先建立了健康与IBD来源的人结肠芯片。健康芯片在11 d内形成连续的柱状上皮单层，并出现起伏样隐窝结构，同时在顶端通道逐步积累致密黏液层。相比之下，CD与UC芯片虽然也形成隐窝样结构，但黏液累积显著减少，且UC芯片下降更为明显；上皮层高度也明显降低。组织学和免疫荧光结果显示，健康与IBD芯片中的上皮均保留结肠特异性标志，如顶端CK20与基底部核内SOX9分布，说明模型具备较好的组织身份维持能力。进一步分析发现，IBD芯片基质中存在高表达oncostatin M receptor（OSMR）和podoplanin的成纤维细胞亚群，并分泌更高水平的IL6、IL8和MCP-1（CCL2）；同时vimentin和α-smooth muscle actin（α-SMA）表达升高，提示其具有更强的活化和促纤维化特征。转录组分析进一步证实，无论在上皮还是成纤维细胞层面，芯片中的差异表达基因及富集通路均与IBD患者组织中的已知分子特征高度一致，包括ECM产生与重塑增强、细胞黏附与血管生成增强、代谢活性下降，以及UC相关IL10信号受抑等，说明该模型能够稳定重建疾病分子图谱。
Peristalsis-like mechanical motions enhance IBD progression
该部分聚焦类蠕动机械刺激对IBD病程的影响。在恒定流动条件下加入周期性机械形变后，健康与IBD芯片均可增加黏液层形成，但IBD芯片的黏液层始终显著更薄。转录组结果显示，机械刺激可上调健康芯片中多种黏蛋白（mucins）相关基因，而IBD芯片仅有极少数黏蛋白基因上调，提示IBD上皮对机械诱导的保护性分泌反应明显减弱。进一步利用SHG观察到，机械刺激并不显著增加健康芯片中的胶原纤维累积，却能显著增强IBD芯片基质中的纤维状胶原沉积；AFM结果与之相符，支持相关组织发生硬化。值得注意的是，尽管IBD基质本身已存在胶原相关基因表达上升，机械刺激后并未观察到显著进一步转录上调，提示纤维化增强可能涉及转录后调控。与此同时，机械刺激还使IBD芯片的屏障渗漏进一步增加，并诱导上皮与基质共同增强炎症相关基因表达，激活与IBD恶化相关的多条信号通路，包括癌症相关通路、Toll-like receptor信号、PPAR信号、focal adhesion、NOD-like receptor信号、PDGF信号及细胞因子—受体互作等，而这些变化在健康芯片中并不明显。该结果说明，生理范围内的肠道机械形变在IBD背景下可转化为疾病放大器。
Replicating sex-specific clinical symptoms of individuals with IBD
该部分分析女性激素对IBD表型的直接影响。研究人员将女性来源的健康和IBD芯片暴露于17β-oestradiol（E2）、medroxyprogesterone acetate（MPA）以及模拟妊娠早期的激素混合物。结果显示，这些激素处理可增加健康与IBD芯片中隐窝样结构的数量和高度，提示激素能够直接调节结肠上皮形态。但更关键的是，在IBD芯片中，E2与MPA可增加纤维化，而妊娠相关激素混合物可引起更为显著的胶原纤维沉积；这一效应在健康芯片中不明显。炎症方面，女性激素在健康芯片中总体抑制炎性细胞因子和趋化因子产生，但在IBD芯片中却使这些炎症分子升高。该结果提示，女性激素并非单向保护因素，而是在疾病状态下可转而促进炎症和纤维化，为解释女性IBD患者月经期及妊娠期症状加重提供了直接的人组织证据。
Stromal fibroblasts control barrier permeability and epithelial inflammation
为明确上皮与基质各自对IBD表型的贡献，研究人员构建了异型组织重组芯片。结果表明，单独培养时，IBD上皮的通透性并未明显高于健康上皮；而一旦健康上皮与IBD成纤维细胞组合，屏障通透性即显著上升，接近同型IBD芯片水平。相反，IBD上皮与健康成纤维细胞组合并不会进一步恶化屏障功能。这一结果直接证明，IBD基质成纤维细胞是屏障破坏的关键驱动因素。炎症因子检测进一步显示，当健康上皮与IBD基质组合时，IL-6、MCP-1以及IL-8、CXCL-1、LIF、IL-21、PIGF-1、MIP-1β（CCL4）等多种炎症介质均升高。尽管IBD上皮本身可维持较高炎症因子表达，但IL-6和MCP-1的显著增强仍依赖IBD基质存在。由于这些因子与单核细胞募集及向巨噬细胞分化有关，研究人员进一步灌流PBMCs，发现IBD芯片比健康芯片募集更多PBMCs黏附于基质并迁移至上皮侧；类蠕动机械刺激并不增加基底侧黏附，却显著增强IBD芯片中PBMCs向上皮侧迁移。而在IBD上皮配健康基质的异型芯片中，这种募集与迁移显著降低。可见，IBD基质不仅决定屏障稳态，也在免疫细胞浸润和上皮炎症放大中居于核心位置。
Modelling early cancer progression in human IBD chips
考虑到IBD患者结直肠癌风险升高，研究进一步评估芯片对癌症起始的建模能力。将健康与IBD芯片暴露于致癌物ENU 3周后，二者均出现隐窝样结构变矮和屏障通透性升高，但IBD芯片的炎症因子升高更为显著。同时，IBD芯片中E-cadherin表达下降更明显，β-catenin更显著转位入核，并伴随上皮细胞核体积增大和圆整度下降，这些均为癌变早期特征。浅层全基因组测序显示，ENU处理后IBD芯片而非健康芯片中出现更多基因突变和染色体扩增，且CD芯片中的扩增更为突出。进一步借助异型组织重组发现，早期CRC标志物CEACAM5在基线条件下并不表达；健康上皮暴露ENU后，仅当与IBD成纤维细胞共培养时才出现CEACAM5表达。IBD上皮在ENU刺激下也表现出更高CEACAM5表达，而IBD成纤维细胞会进一步增强这种效应，同时伴随更明显的E-cadherin丢失和β-catenin核转位。由此可见，IBD基质不仅促进炎症与纤维化，也提高上皮对致癌刺激的敏感性，驱动癌症起始早期事件。
讨论部分总结
论文讨论指出，该结肠芯片模型成功重建了IBD在体内的多项核心特征，并凭借其“合成生物学式”可重组特性，得以拆解上皮、基质、免疫细胞、流体流动与机械刺激在疾病发生中的相对作用。综合各项证据，研究最重要的认识是：基质成纤维细胞而非单纯上皮异常，是IBD病理状态的重要发动机，它主导肠道高通透性、炎症介质放大和免疫细胞浸润，并在致癌敏感性升高方面发挥关键作用。第二，类蠕动机械刺激在IBD背景下可加重炎症与纤维化，提示早期疾病阶段保留的生理性肠蠕动可能通过正反馈促进病情恶化。第三，女性激素尤其妊娠相关激素能直接作用于肠上皮和基质，在女性IBD组织中增强炎症与纤维化，具有重要的女性健康意义。第四，IBD组织对致癌物呈现更强敏感性，且可在无免疫细胞条件下出现早期癌变相关分子与染色体事件，说明组织内在状态本身已足以提升癌症风险。作者同时指出，研究样本量有限，不同患者组织来源部位及疾病严重程度存在差异，未来仍需更大规模样本验证不同IBD亚型、病情严重度与发病年龄的影响，但现有结果已充分证明该模型在体外忠实再现IBD病理生理过程的能力。
研究结论部分可概括翻译如下：研究结果表明，采用患者来源结肠上皮与成纤维细胞构建的人结肠芯片，能够重现健康与IBD组织的关键表型特征；肠道基质尤其是IBD成纤维细胞，是驱动屏障功能受损、炎症、免疫细胞迁移、纤维化及癌症起始易感性升高的核心因素。类蠕动机械形变和女性相关激素可进一步放大IBD病理反应，而IBD组织对致癌刺激表现出更高敏感性。该研究证明，人源器官芯片可作为解析IBD进展机制、评估患者特异性治疗反应及研究癌变风险的重要前临床平台。
