《Journal of Future Foods》：Advancements in Dairy Products Evaluation: From Conventional Systems to Organoids and Organ-on-a-Chip
编辑推荐：
目前，功能性乳制品的功效评价面临一个关键瓶颈：传统模型的固有局限性。传统的二维（2D）细胞培养和动物模型常常无法准确预测人体生理反应，因为它们无法重现复杂的人体肠道微环境，尤其是乳品食物基质、流体剪切力与宿主免疫-微生物轴之间的动态相互作用。本综述批判性地审视
目前，功能性乳制品的功效评价面临一个关键瓶颈：传统模型的固有局限性。传统的二维（2D）细胞培养和动物模型常常无法准确预测人体生理反应，因为它们无法重现复杂的人体肠道微环境，尤其是乳品食物基质、流体剪切力与宿主免疫-微生物轴之间的动态相互作用。本综述批判性地审视了微生理系统（Microphysiological Systems, MPS）——特别是类器官和器官芯片（Organ-on-a-Chip, OoC）——作为乳品营养研究更优替代方案的变革潜力。研究人员综合了利用这些与人体相关的平台来剖析营养素生物利用度、肠道菌群调节、免疫调节和个性化营养机制的最新进展，并将其与传统方法进行了对比。通过整合三维（3D）组织结构、机械力和多细胞串扰，MPS能够高保真地模拟复杂乳品基质（如乳脂肪球膜，Milk Fat Globule Membrane, MFGM）的消化过程及其与肠道屏障的相互作用。尽管在多器官整合和标准化方面仍存在挑战，但这些平台在追踪营养素从消化、吸收、代谢到功能，直至作用于各种组织和器官的整个过程中，提供了前所未有的精确度。采用MPS代表了乳品行业的战略转型。实施这些标准化的、以人为中心的测试平台，将能够更全面地理解膳食产品中功能成分在婴儿发育中的机制，指导针对性功能配方的合理设计，并促进个性化营养产品的开发。最终，这项技术将减少对动物测试的依赖，并加速“实验室到市场”的转化，从而为健康声称提供坚实的科学依据，并更广泛地推动膳食科学和食品科学的进步。
本文系统阐述了乳制品功效评价的六个核心维度，涵盖了从营养素生物利用度到个性化适应性的全链条评价体系。同时，本文明确了传统体外模型（二维细胞培养、静态消化模型）和动物模型在该体系内的固有局限：静态环境无法模拟肠道生理性剪切力，导致营养素转运预测出现偏差；孤立的组织培养难以重现肠道-免疫-微生物互作网络；动物与人类在遗传背景和代谢通路方面的物种差异降低了系统性健康效应的预测准确性；标准化模型无法容纳人类个体化的生理差异。这些局限性导致传统模型在乳品功效评价中持续存在体外-体内转化差距和预测精度不足，无法满足乳品功能研究和精准营养的发展需求。
针对上述局限性，由类器官和器官芯片技术构成的微生理系统（Microphysiological Systems, MPS）凭借其人源性、动态微环境、多组分整合和个性化重现的特点，实现了靶向突破。微流体技术模拟肠道流体剪切力和蠕动，解决了营养素生物利用度研究中的静态模拟偏差；氧气梯度设计和共培养系统实现了肠道上皮、免疫细胞和专性厌氧菌的协同培养，恢复了天然的肠道-免疫-微生物串扰；多器官模块的流体连接重现了乳品衍生成分在体内的系统性代谢命运；患者来源的类器官则实现了乳品功效的个性化评价。
具体而言，在营养素命运方面，器官芯片技术通过引入可控的生理流动和剪切力，根本上改变了传统静态吸收模型的范式。动态环境对于机械刺激顶端转运蛋白（如肽转运蛋白1, PepT1；钠-葡萄糖协同转运蛋白1, SGLT1）的上调至关重要，这深刻影响了关键矿物质（如钙）的摄取动力学。最新研究利用先进的三维顶端外出型肠道类器官模型，成功定量了复杂乳品衍生蛋白质（如乳铁蛋白-骨桥蛋白纳米复合物）的高效摄取，通过区分载体介导的主动转运与被动旁细胞扩散，提供了其生物利用度的直接证据。例如，Kulkarni等人建立了模拟十二指肠和结肠的肠芯片模型，通过连续流体灌注和模拟蠕动的机械刺激，重现了肠道三维微环境（如绒毛结构和黏液层），并提出了定量营养素（包括蛋白质和脂肪酸）经肠上皮转运的实验方案，为研究复杂乳品衍生蛋白质的转运效率提供了技术框架。Greenhalgh等人利用模块化肠芯片研究了益生菌发酵乳品产生的短链脂肪酸（SCFAs）对肠道细胞的影响，通过量化SCFAs的经肠上皮转运率，揭示了其与乳品衍生蛋白质协同调节肠道代谢的机制。
在局部对话——肠道-免疫互作方面，传统模型的长期局限是将屏障功能与免疫活动人为分离。MPS通过实现真正的整合共培养克服了这一问题。平台现在允许将肠道上皮细胞与免疫细胞（如巨噬细胞或树突状细胞）在共享的、可通信的微环境中共同培养。NutriChip微流体平台被用于构建模拟人类胃肠道的体外模型，其核心是Caco-2上皮细胞和U937巨噬细胞通过多孔膜分隔的共培养。该模型重现了乳品营养物质转运和免疫细胞激活的生理过程，为传统单培养无法检测的局部抗炎或屏障增强效应提供了前所未有的见解。此外，MPS还推进了我们对微生物代谢物和益生菌功能在肠道稳态中作用的理解。例如，Trapecar等人开发了肠-肝-免疫芯片模型，发现微生物来源的SCFAs在急性T细胞炎症（如溃疡性结肠炎早期）缺如时具有保护作用，而在急性炎症（T细胞活化）状态下，则通过直接调节效应T细胞功能而加剧炎症。Shin和Kim开发的肠道炎症芯片模型发现，肠道上皮屏障的完整性是益生菌发挥肠道保护作用的关键——只有在屏障受损前（如炎症预防阶段）给药，益生菌才能通过定植黏膜表面和维持屏障稳态发挥保护作用；在屏障破坏后（如炎症急性期）给益生菌则无益处。
在微生物合作——宿主-微生物组串扰方面，评估乳品成分（如低聚半乳糖，GOS）的益生元作用长期以来受到缺乏能将功能性人肠上皮与稳定的宿主特异性微生物组相结合模型的阻碍。先进的肠芯片模型正在解决这一关键缺口。通过建立人肠道细胞与复杂的人源肠道微生物组的稳定氧气梯度共培养，这些系统能够直接观察乳品成分如何塑造微生物群落的结构和功能。一个范式转变的例子是母乳低聚糖（HMOs）的研究。例如，人肠类器官被用于研究HMOs对人诺如病毒（HuNoV）复制的影响，特别是GII.4悉尼株。人肠类器官（HIEs）模型对于比较婴儿和成人来源细胞系之间的病毒复制，并证明HMO 2′-岩藻糖基乳糖（2’-FL）对病毒感染的保护作用至关重要。肠道上皮类器官也已从早产新生儿组织分离的肠隐窝中建立，该模型用于研究HMOs对产气荚膜梭菌的调节作用，并阐明该细菌在肠道稳态中的作用，特别是抑制病原共生菌过度生长和减轻炎症。关键的是，这些先进系统允许实时测量后续微生物代谢物（如通过交叉喂养产生的丁酸等SCFAs）如何反过来影响宿主上皮，从而创建了一个研究整合的“食物-微生物组-宿主”轴的闭环模型。
在系统性展望与个体差异方面，为超越肠道局部研究并模拟系统性健康影响，该领域正朝着多器官芯片系统发展。这些“身体芯片”平台将代表肠道、肝脏、脂肪组织和其他器官的模块通过循环培养基进行流体连接，使研究人员能够追踪乳品消化衍生代谢物的系统轨迹。例如，一个整合了空肠、肝脏、肾脏、骨骼肌和神经血管系统的多器官芯片已被用于模拟氧化三甲胺（TMAO）——一种来自乳品衍生营养素（如胆碱和磷脂酰胆碱）的代谢物——的跨器官转运。该模型追踪了TMAO从肠道吸收到穿越血脑屏障的整个旅程，为研究乳品相关代谢物的全身播散提供了技术框架。通过连接肠和肝的人源MPS以及循环中的调节性T细胞（Treg）和辅助性T17细胞（Th17），构建了溃疡性结肠炎（UC）的多器官离体模型。通过多组学分析发现，SCFAs增加酮体生成、糖酵解和脂肪生成，同时显著降低溃疡性结肠炎中肠道的固有免疫激活。然而，在急性T细胞介导的炎症期间，SCFAs通过代谢重编程加剧CD4+ T细胞的效应功能，进而导致肠道屏障破坏和肝损伤。此外，肠-脑轴芯片的开发揭示了肠道微生物组代谢乳品成分产生的代谢物（如SCFAs、细胞外囊泡）可以通过迷走神经信号调节大脑中神经退行性疾病相关通路。
最具变革性的应用之一是利用患者来源的肠道类器官创建“个性化肠道替身”。对于患有特定疾病（如乳糖不耐受、克罗恩病或代谢综合征）的个体，这些替身将能够直接测试乳品成分在患者特异性基础上的功效和耐受性。支持该方法的关键研究包括：Sato等人首次实现了在不依赖间充质微环境的情况下，从单个Lgr5干细胞体外构建隐窝-绒毛结构，为患者来源肠道类器官的体外培养奠定了技术基础；Kasendra等人开发了基于活检来源类器官的人原代小肠芯片，实现了患者特异性肠道结构和功能的体外复制，为个性化营养干预测试提供了可操作的微流体平台；Bein等人利用环境性肠病功能障碍（EED）患者的类器官构建了肠道芯片，在营养缺乏条件下重现了绒毛变钝和吸收不良等疾病相关特征，验证了个性化模型在营养干预评价中的实用性；Santos等人建立了来自乳糜泻患者的十二指肠类器官，验证了食物成分对肠道上皮屏障的影响。该技术逻辑可直接转移到乳糖不耐受患者，为乳品成分测试提供患者特异性平台。这种个性化方法不仅确定了可能从特定乳品相关营养干预中受益最大的亚群，还推动该领域朝着分层化和精准营养方向发展，直接解决了个体间差异问题。
在工业实践案例方面，MPS已从学术概念验证工具演变为乳品研究和工业产品开发的实际应用平台。例如，飞鹤乳业应用人小肠类器官（SIOs）结合多组学技术，克服了传统肿瘤来源细胞系生理相关性差的问题。通过用人胚胎干细胞分化的SIOs模拟婴儿肠道微环境，该公司评估了三款一段婴儿奶粉，通过模拟消化、吸收和代谢过程，转录组学和代谢组学分析揭示了与肠道发育和免疫成熟相关的不同分子反应，发现了乳酸乳球菌和乳铁蛋白等生物活性成分驱动的机制，而这些是简化细胞模型无法检测的。这项工作建立了一个生理相关、多层次的评价系统，支持合理的营养设计，加速了针对婴儿生长和免疫需求的下一代配方奶粉的开发。森永乳业展示了利用人结肠类器官来源的单层细胞（MHCO）的潜力，这是一种先进的MPS，能忠实重现包含干细胞、杯状细胞和肠内分泌细胞的正常结肠上皮——有别于有限且肿瘤来源的Caco-2模型。通过与长双歧杆菌的半厌氧共培养，森永发现了与脂质代谢、炎症和细胞间粘附相关的基因表达变化，并证实了与临床观察一致的屏障增强效应。该案例突显了MPS如何实现对益生菌功能乳品的可靠、与人相关的评估，支持对宿主-微生物串扰的机制理解，并促进高效配方的合理设计。
