彭雅萱，段盛林，楊宗玲，劉義鳳，李海枝，潘 聰，于有強(qiáng)，夏 凱,

（中國(guó)食品發(fā)酵工業(yè)研究院有限公司，功能主食創(chuàng)制與慢病營(yíng)養(yǎng)干預(yù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100015）

類(lèi)器官技術(shù)是指采用三維（three-dimensions，3-D）培養(yǎng)條件將干細(xì)胞分裂分化形成在空間、結(jié)構(gòu)上與來(lái)源器官組織、基因、結(jié)構(gòu)和功能相似的微器官或微組織的過(guò)程，所形成的微器官或微組織稱(chēng)為類(lèi)器官[1-2]。近年來(lái)，類(lèi)器官技術(shù)由于其形成的組織器官在細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)、生存空間及功能方面更接近體內(nèi)細(xì)胞而受到諸多領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。2013年，類(lèi)器官技術(shù)被《Science》雜志列入“十大突破”技術(shù)；2017年被《Nature》雜志評(píng)選為年度最佳生物技術(shù)；2019年，《Nature》、《Cell》及《Science》雜志分別發(fā)表了類(lèi)器官特刊，肯定了類(lèi)器官技術(shù)在各領(lǐng)域的重要地位。腸類(lèi)器官作為第一種從干細(xì)胞中培養(yǎng)而來(lái)的類(lèi)器官在腸道疾病、藥物篩選與評(píng)價(jià)、個(gè)體遺傳與評(píng)價(jià)方面具有重要的應(yīng)用前景，其主要優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)和功能與活體極其相似，可進(jìn)行監(jiān)控和改造[3-4]。腸類(lèi)器官技術(shù)首先在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展，目前，也逐漸應(yīng)用到營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域。

在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究上，體外模型可定性、定量地研究營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在腸道的吸收動(dòng)力學(xué)、吸收機(jī)制、有效吸收部位及影響吸收的因素等，為某種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的高效利用提供更科學(xué)的理論依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)外已廣泛將動(dòng)物模型應(yīng)用于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收代謝研究[5-7]，雖然動(dòng)物模型可在一定程度反映人體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收代謝情況，但由于動(dòng)物模型模擬腸道與人體腸道各部分因組織結(jié)構(gòu)和生理功能存在差異性，其結(jié)果不一定適用于人體。腸道類(lèi)器官的出現(xiàn)為這一問(wèn)題的解決提供了一個(gè)全新的途徑。本文概述了腸類(lèi)器官在重要營(yíng)養(yǎng)素如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、維生素、礦物質(zhì)等的消化吸收方面的研究現(xiàn)狀，可為腸類(lèi)器官在食品營(yíng)養(yǎng)吸收、藥物代謝及食品攝入安全評(píng)價(jià)等方面的研究提供參考。

1 腸類(lèi)器官概述

腸類(lèi)器官是指通過(guò)體外培養(yǎng)腸干細(xì)胞使之逐漸增殖、分化出包括杯狀細(xì)胞和潘氏細(xì)胞在內(nèi)的幾乎所有類(lèi)型，形成了具有不同腸細(xì)胞之間生物通信的結(jié)構(gòu)及其功能的迷你腸器官或腸組織[8-9]，可重現(xiàn)其在原生組織的重要特征，包括與原生腸上皮相似、由隱窩和絨毛組成的高度折疊的上皮結(jié)構(gòu)[10]。由此可知，腸類(lèi)器官具有三個(gè)基本特點(diǎn)。首先，它包含腸道器官的多個(gè)細(xì)胞類(lèi)型；第二，它能表現(xiàn)出腸道器官的功能；第三，腸類(lèi)器官細(xì)胞的組織方式與腸道器官本身相似，這也意味著腸道器官在發(fā)展過(guò)程中建立其特有組織的方式是相似的。在此基礎(chǔ)上，利用腸類(lèi)器官研究不同營(yíng)養(yǎng)素在腸道的消化吸收等營(yíng)養(yǎng)特性將會(huì)是一個(gè)絕佳的選擇。

1.1 腸類(lèi)器官簡(jiǎn)史

Rheinwald等[11]于1975年首次提出了人類(lèi)細(xì)胞的培養(yǎng)方法，并于兩年后成功利用人類(lèi)干細(xì)胞進(jìn)行了3-D組織結(jié)構(gòu)重組。2009年Sato等[3]成功將源自富含亮氨酸重復(fù)序列的陽(yáng)性G蛋白偶聯(lián)受體5（leucine-rich repeat-containing G-protein coupled receptor 5+，Lgr5+）腸道干細(xì)胞（Intestinal stem cells，ISC）培養(yǎng)形成隱窩絨毛結(jié)構(gòu)，并能夠分化成所有腸細(xì)胞類(lèi)型，取得了突破性進(jìn)展。2010年，Cao等[12]采用了兩步分化程序，使胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells，ESCs）分化形成內(nèi)胚層，并發(fā)現(xiàn)來(lái)源于ESCs的內(nèi)胚層可以分化為腸類(lèi)器官，并可以用來(lái)移植修復(fù)體內(nèi)受損的腸組織。2011年，Spence等[13]首次證明人類(lèi)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（human pluripotent stem cells，hPSCs）可以在體外有效地分化成與胎兒腸非常相似的結(jié)構(gòu)。

1.2 腸類(lèi)器官的分類(lèi)

腸類(lèi)器官可根據(jù)來(lái)源可分為成體腸干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。腸干細(xì)胞分布于腸道隱窩底部；胚胎干細(xì)胞是早期胚胎或原始性腺中分離出來(lái)的一類(lèi)細(xì)胞[8]；而誘導(dǎo)多能干細(xì)胞是體細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞重編程（Cell Reprogramming）恢復(fù)到全能性狀態(tài)而形成的干細(xì)胞[14]。這些干細(xì)胞可通過(guò)培養(yǎng)形成隱窩-絨毛結(jié)構(gòu)，并能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的自我更新和分化。根據(jù)腸類(lèi)器官初始培養(yǎng)體系組分的不同，又可以將其分為原生上皮細(xì)胞類(lèi)器官、上皮間葉組織類(lèi)器官和多能干細(xì)胞類(lèi)器官[8]。

1.3 腸類(lèi)器官的組成

腸干細(xì)胞是可以再生整個(gè)隱窩絨毛結(jié)構(gòu)的細(xì)胞，它具備長(zhǎng)期自我更新和多能分化兩種能力，因此腸干細(xì)胞既能維持其數(shù)量保持在一定的范圍又能分化為一系列不同種類(lèi)的腸細(xì)胞。腸干細(xì)胞可分化為六種主要的細(xì)胞類(lèi)型。吸收性細(xì)胞占所有上皮細(xì)胞的80%，主要職責(zé)是在酶的作用下進(jìn)行消化和吸收[15]。杯狀細(xì)胞同時(shí)存在于腸隱窩和絨毛中，占4%～12%，主要作用是分泌粘蛋白從而形成兩層黏膜，其中疏松的外層為共生細(xì)菌提供定殖條件，以維持腸道菌群的平衡，而致密的內(nèi)層牢固地附著在上皮細(xì)胞上，防止微生物對(duì)上皮細(xì)胞造成損傷；此外，杯狀細(xì)胞還會(huì)產(chǎn)生一些修復(fù)因子來(lái)促進(jìn)損傷后的修復(fù)過(guò)程[16-17]。與其他細(xì)胞相比，潘氏細(xì)胞是壽命較長(zhǎng)的（2～3個(gè)月）分化細(xì)胞，占全部腸上皮細(xì)胞的3%～8%，其向下遷移并定居在隱窩底部，主要作用是產(chǎn)生抗菌肽對(duì)隱窩腔進(jìn)行消毒[17]。腸內(nèi)分泌細(xì)胞分布于隱窩-絨毛軸結(jié)構(gòu)，通過(guò)釋放多種激素協(xié)調(diào)新陳代謝、胰島素分泌、食物攝入和營(yíng)養(yǎng)同化，但其數(shù)量較少，不足1%[15]。M細(xì)胞位于腸隱窩，其主要作用是通過(guò)管腔中抗原的轉(zhuǎn)胞吞作用調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，僅占上皮細(xì)胞不足1%，同樣含量較少的還有化學(xué)感應(yīng)簇細(xì)胞（0.4%～2%）[16-17]。

1.4 腸類(lèi)器官的培養(yǎng)

腸類(lèi)器官是干細(xì)胞在體外3D培養(yǎng)條件下，再現(xiàn)了同類(lèi)細(xì)胞以黏附的方式分類(lèi)聚集（cell sorting）和空間特異性的細(xì)胞譜系定型（spatially restricted lineage commitment），突破了細(xì)胞間單純的物理接觸聯(lián)系，得到的具有更加緊密的細(xì)胞間生物通信和對(duì)應(yīng)功能的迷你腸器官或腸組織[9]。其3D培養(yǎng)體系是建立在懸浮培養(yǎng)基礎(chǔ)上的，通過(guò)使用無(wú)支架技術(shù)或支架避免細(xì)胞直接與塑料培養(yǎng)器皿直接接觸。無(wú)支架技術(shù)是細(xì)胞通過(guò)重力和表面張力在特定培養(yǎng)基的液滴中培養(yǎng)[18]，但目前已有的研究中培養(yǎng)類(lèi)器官大多都使用支架。支架是類(lèi)似天然細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）的天然或合成水凝膠。ECM[19-21]是由水、蛋白質(zhì)和多糖組成的具有三維結(jié)構(gòu)的柔軟且可移動(dòng)的基質(zhì)復(fù)合體，它不斷與周?chē)?xì)胞相互作用，不僅能維持正常細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，還能促進(jìn)細(xì)胞分化，在培養(yǎng)類(lèi)器官過(guò)程中最常用的一種支架是Matrigel[9,18]，它是由小鼠肉瘤細(xì)胞分泌的一種異質(zhì)性的膠質(zhì)蛋白混合物，其主要包含粘附蛋白，如膠原蛋白、內(nèi)凝血素、層粘連蛋白和硫酸肝素蛋白聚糖，類(lèi)似于細(xì)胞外環(huán)境，為干細(xì)胞的黏附、生長(zhǎng)和分化提供結(jié)構(gòu)支持和生物化學(xué)信號(hào)。此外，ISCs來(lái)源的腸類(lèi)器官由于缺乏基質(zhì)細(xì)胞，其形成和發(fā)展需要依賴(lài)在培養(yǎng)基中加入一些關(guān)鍵成分，包括Wnt-3A、表皮生長(zhǎng)因子（epidermal growth factor，EGF）、Noggin和R-spondin1，統(tǒng)稱(chēng)為WENR培養(yǎng)基[22]，這些成分參與多種信號(hào)通路以調(diào)控腸干細(xì)胞的自我更新和分化，使腸干細(xì)胞 能向特定細(xì)胞類(lèi)型分化的同時(shí)又能維持一定的干細(xì)胞數(shù)量，從而形成腸類(lèi)器官。而PSCs來(lái)源的腸類(lèi)器官，需要先經(jīng)過(guò)激活素[23-24]處理，使PSCs分化為內(nèi)胚層，經(jīng)內(nèi)胚層誘導(dǎo)后，PSCs將分化成中腸和后腸組織，并從附著在組織培養(yǎng)皿上的單層上皮細(xì)胞中萌發(fā)，再在含有腸生長(zhǎng)因子的基質(zhì)中進(jìn)一步培養(yǎng)，通過(guò)增殖和擴(kuò)展形成多種主要腸細(xì)胞類(lèi)型。不論是哪種干細(xì)胞形成的腸類(lèi)器官均能用于后續(xù)不同營(yíng)養(yǎng)素的營(yíng)養(yǎng)特性研究。

2 腸類(lèi)器官對(duì)各類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素消化吸收的研究進(jìn)展

人體食物的消化吸收是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，機(jī)體生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)素通過(guò)食物攝入后轉(zhuǎn)化而來(lái)。目前越來(lái)越多的研究者通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物模型研究食物的消化吸收特性，但其存在成本昂貴、操作復(fù)雜且不可逆等缺點(diǎn)，相較之下，體外模型具有簡(jiǎn)便易行、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。目前被廣泛應(yīng)用于食物營(yíng)養(yǎng)素吸收特性的細(xì)胞主要有Caco-2細(xì)胞[25]、T84細(xì)胞[26]和HT-29細(xì)胞[27]，這些細(xì)胞純度高可長(zhǎng)期培養(yǎng)，但腸道組織形態(tài)生理的相關(guān)性和腸道分化功能不能被充分體現(xiàn)，且在連續(xù)傳代培養(yǎng)過(guò)程中易突變。

隨著類(lèi)器官技術(shù)的不斷發(fā)展，腸類(lèi)器官因包含多種細(xì)胞類(lèi)型，具有腸器官的功能成為營(yíng)養(yǎng)研究模式的熱點(diǎn)，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始嘗試將腸類(lèi)器官模型應(yīng)用于不同物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)特性研究。

2.1 碳水化合物

碳水化合物是細(xì)胞的主要組成成分及生命活動(dòng)的供能物質(zhì)。碳水化合物的消化吸收主要在小腸進(jìn)行，食物中的碳水化合物在消化過(guò)程中，先在胰淀粉酶的作用下分解為雙糖，再通過(guò)小腸刷狀緣分泌的雙糖酶進(jìn)一步分解為單糖，然后通過(guò)特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白吸收進(jìn)入血液運(yùn)輸至身體各組織細(xì)胞最后被利用。單糖可通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)運(yùn)輸方式被腸細(xì)胞吸收并從腸細(xì)胞中排出。人類(lèi)糖尿病等重大疾病與糖的攝入量高度相關(guān)，研究糖的體外模型對(duì)食品及醫(yī)藥行業(yè)具有重要意義，如通過(guò)體外模型分析不同生理?xiàng)l件下人體腸道對(duì)葡萄糖的吸收進(jìn)而了解其營(yíng)養(yǎng)需要量及能量的供需情況。

Hasan等[28]利用類(lèi)器官培養(yǎng)技術(shù)，以健康瘦人和病態(tài)肥胖患者的腸干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，證明了肥胖人群飲食中葡萄糖的吸收和糖異生的增加是由于腸道碳水化合物代謝相關(guān)重要載體與限速酶，如鈉葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)載體（Sodium Glucose Cotransporter-1，SGLT1）、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（Glucose Transporter 2，GLUT2）和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白5（Glucose Transporter，GLUT5），以及糖異生酶，如磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶（Phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK1）和葡萄糖-6-磷酸酶（glucose-6-phosphatase，G6P）的表達(dá)明顯高于低葡萄糖吸收和缺乏糖異生酶的瘦人腸道。除此之外，在相同濃度葡萄糖的處理?xiàng)l件下，高BMI/高葡萄糖吸收率的腸道細(xì)胞能夠吸收更多的葡萄糖，解釋了一些病態(tài)性的肥胖不能通過(guò)改變飲食得到有效控制的原因。Zietek等[29]利用小鼠小腸類(lèi)器官模型同時(shí)分析，分析了胰高糖素樣肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）具有葡萄糖濃度劑量依賴(lài)性，證明小鼠小腸類(lèi)器官可作為研究腸道營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收、藥物轉(zhuǎn)運(yùn)和腸細(xì)胞代謝的體外模型。最近的一項(xiàng)研究中，F(xiàn)ilippello等[30]利用腸道類(lèi)器官分析高葡萄糖濃度對(duì)腸內(nèi)分泌細(xì)胞分化的影響，結(jié)果表明，高葡萄糖濃度會(huì)抑制腸內(nèi)分泌細(xì)胞中相關(guān)標(biāo)志物的表達(dá)，減少腸促胰島素的分泌，該研究為干預(yù)治療Ⅱ型糖尿病提供了相關(guān)參考。

鑒于鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族和促進(jìn)性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有部分未知的特異性，腸道糖吸收的機(jī)制尚不完全清楚，類(lèi)器官技術(shù)的出現(xiàn)或許可推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

2.2 蛋白質(zhì)

攝入的蛋白質(zhì)首先在胃內(nèi)部分被胃蛋白酶水解為氨基酸、寡肽以及少量的多肽，然后到達(dá)小腸后被胰蛋白酶和小腸粘膜細(xì)胞刷狀緣中的氨基肽酶、寡肽酶共同作用分解為氨基酸及短肽。

Kar等[31]利用腸類(lèi)器官單層腸道上皮細(xì)胞結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)的方法研究不同膳食來(lái)源的蛋白質(zhì)對(duì)上皮細(xì)胞功能的影響。結(jié)果表明，不同膳食來(lái)源的蛋白質(zhì)在上皮細(xì)胞中具有獨(dú)特的生物表達(dá)過(guò)程。這項(xiàng)研究證明了腸道類(lèi)器官模型可用于評(píng)估膳食成分與腸道上皮之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系。Wang等[32]建立了一種雞腸道類(lèi)器官培養(yǎng)方法，并利用該模型探討蛋氨酸及其羥基衍生物（methionine hydroxy analogue，MHA）缺乏對(duì)腸道類(lèi)器官發(fā)育的影響。結(jié)果表明，MHA缺乏會(huì)抑制類(lèi)器官的形成、分化，該研究證明了利用腸道類(lèi)器官模型可以直接反映某些營(yíng)養(yǎng)素或化學(xué)物質(zhì)對(duì)腸道發(fā)育的影響。彭麗媛[33]通過(guò)建立炎性損傷腸類(lèi)器官模型，探究了牛乳鐵蛋白肽經(jīng)過(guò)消化后得到的短肽對(duì)炎性損傷腸道細(xì)胞的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)消化后得到的短肽可以通過(guò)增強(qiáng)緊密連接蛋白的表達(dá)來(lái)保護(hù)腸道健康，抑制炎性因子的釋放并緩解炎性類(lèi)器官的異常增殖分化現(xiàn)象，該研究證明利用腸類(lèi)器官可以探究不同蛋白質(zhì)、肽對(duì)腸道細(xì)胞的不同影響。

蛋白質(zhì)、多肽的種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其在小腸部位的吸收方式，與小腸細(xì)胞的相互作用以及其中蘊(yùn)含的機(jī)制機(jī)理許多都還處于未知或不完全清晰的狀態(tài)，腸類(lèi)器官模型將會(huì)是引導(dǎo)研究者們解開(kāi)疑問(wèn)的又一絕佳手段。

2.3 脂肪

脂肪的消化主要在小腸部位，在膽汁的作用下被乳化為微粒，再通過(guò)脂肪酶的作用被分解為游離脂肪酸和甘油單酯。通過(guò)飲食中脂肪的吸收，以及腸促胰島素激素和免疫介質(zhì)的分泌，腸道在調(diào)節(jié)全身脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用。

Jung等[34]通過(guò)腸類(lèi)器官模型，證明了短鏈脂肪酸（乙酸、丁酸、丙酸）可以促進(jìn)腸道類(lèi)器官的發(fā)育，且短鏈脂肪酸對(duì)促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的增殖和更新具有重要作用。在Semir等[35]的研究中，小鼠腸道類(lèi)器官暴露于棕櫚酸中，有利于腸類(lèi)器官的增殖分化。這兩項(xiàng)研究均表明可通過(guò)腸類(lèi)器官的增殖和生長(zhǎng)狀態(tài)研究不同脂肪酸對(duì)腸道的影響。腸道可合成一種特殊脂蛋白，即乳糜微粒，含有膳食甘油三酯（triacylglycerol，TAG）和膽固醇，以及結(jié)構(gòu)和功能性載脂蛋白，是代謝疾病的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。Jattan等[36]利用小鼠腸類(lèi)器官模型證明了飲食脂肪吸收的腸道機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了腸道中載脂蛋白C-Ⅲ的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致小腸分泌更小、密度更小的乳糜微粒，減少TAG的分泌。Li等[37]同樣利用了腸類(lèi)器官技術(shù)研究了飲食中脂質(zhì)吸收和脂蛋白分泌的腸道機(jī)制。這兩項(xiàng)研究證明了腸類(lèi)器官可用于闡明心血管疾病危險(xiǎn)因素背后的腸道機(jī)制，包括組織特異性載脂蛋白功能。

從這些研究中可以看出，隨著腸類(lèi)器官技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者們已經(jīng)逐漸從僅探究脂肪對(duì)腸細(xì)胞增殖和分化能力的影響到不同脂肪及其衍生物的吸收機(jī)制以及對(duì)相關(guān)疾病產(chǎn)生影響的原理。由此說(shuō)明，腸類(lèi)器官技術(shù)的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，相信在不久之后，腸類(lèi)器官在脂肪吸收特性研究這一領(lǐng)域?qū)⒌玫礁悠毡榈膽?yīng)用。

2.4 維生素

維生素可分為脂溶性維生素和水溶性維生素，前者包括維生素A、D等，它們通過(guò)溶解于脂質(zhì)中被人體共同吸收；后者包括維生素C和維生素B族，它們通常與食物中的蛋白質(zhì)等結(jié)合，并在消化道中逐步被釋放，最后在腸道被吸收。

Qi等[38]從小鼠體內(nèi)分離并培養(yǎng)出4種具有不同腸道微生物群的腸類(lèi)器官，研究維生素C和維生素B3對(duì)攜帶不同微生物的四種腸類(lèi)器官的影響。結(jié)果表明，維生素C濃度為1200 μg/mL、維生素B3濃度為600 μg/mL對(duì)腸道干細(xì)胞具有敏感性，該研究為腸道類(lèi)器官在制備維生素C和維生素B3口服液提供了理論依據(jù)。Yamada等[39]利用類(lèi)器官技術(shù)研究維生素A的活性代謝產(chǎn)物——全反式維甲酸對(duì)腸道類(lèi)器官分化的影響。結(jié)果表明，維A酸可增加腸類(lèi)器官中可促進(jìn)腸成熟發(fā)育的藥物代謝酶基因CYP3A4的表達(dá)，并降低腸上皮單層膜對(duì)異硫氰酸熒光素標(biāo)記的葡聚糖的通透性，并證明了維生素A的活性代謝產(chǎn)物維A酸對(duì)腸上皮屏障的保護(hù)作用。Sittipo等[40]采用腸道類(lèi)器官模型研究了維生素D3對(duì)腸道類(lèi)器官中腸上皮細(xì)胞分化和干細(xì)胞生存能力的影響。結(jié)果表明，維生素D3可促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞分化，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，這也為維生素D3可預(yù)防直腸癌提供了依據(jù)。

目前利用腸類(lèi)器官研究維生素吸收特性的相關(guān)研究較少，但已有的研究不僅深入到吸收相關(guān)的機(jī)制機(jī)理研究，還與腸道微生物相結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化了腸類(lèi)器官模型，為維生素在腸道吸收特性等方面的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

2.5 礦物質(zhì)

礦物質(zhì)在食品中以游離和各種結(jié)合態(tài)的形式存在，游離形式的礦物質(zhì)可被直接吸收，而以結(jié)合態(tài)形式存在的礦物質(zhì)在消化道中各種酶的作用下逐漸被釋放并吸收。

Seiwert等[41]評(píng)估了血紅素鐵在小鼠腸道類(lèi)器官中的遺傳毒性和細(xì)胞毒性作用，揭示了血紅素鐵可促進(jìn)一些活性氧的形成，并誘導(dǎo)DNA損傷，降低細(xì)胞活性。威爾遜病是由ATP7B基因突變引起的銅失衡疾病，Pierson等[42]表征了ATP7B在小鼠腸類(lèi)器官和組織中的作用，通過(guò)免疫組織化學(xué)和X射線(xiàn)熒光用于表征組織中ATP7B和Cu的分布，結(jié)果表明，ATP7B沿十二指腸隱窩-絨毛軸維持Cu梯度，并緩沖腸上皮細(xì)胞質(zhì)中的Cu含量。該研究利用腸道類(lèi)器官模型揭示了銅代謝紊亂引發(fā)威爾遜病的機(jī)制。

礦物質(zhì)是人體必需的營(yíng)養(yǎng)素之一，在體內(nèi)無(wú)法自行產(chǎn)生、合成，必須由外界環(huán)境供給。適量的攝入礦物質(zhì)是維持機(jī)體正常生命活動(dòng)所必需的，但攝入過(guò)量或不足都會(huì)不同程度的引起機(jī)體的不適，甚至引發(fā)疾病。目前，采用體外模型評(píng)估礦物質(zhì)的利用和運(yùn)輸機(jī)制仍然存在局限性，如難以準(zhǔn)確定量營(yíng)養(yǎng)素當(dāng)量、單一細(xì)胞模型無(wú)法滿(mǎn)足研究設(shè)計(jì)要求等，類(lèi)器官技術(shù)的出現(xiàn)為評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中礦物吸收代謝提供了一個(gè)易于操作的模型。

2.6 其他

胃腸道的腸上皮不斷更新以吸收營(yíng)養(yǎng)，并為身體提供外部保護(hù)。除了以上提到的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)以及維生素這些常見(jiàn)營(yíng)養(yǎng)素外，腸道上皮還會(huì)不斷暴露于其他化學(xué)物質(zhì)和飲食成分包括植物活性成分、食品添加劑等中，因此研究不同成分對(duì)腸類(lèi)器官的生長(zhǎng)速率、細(xì)胞的增殖分化能力以及不同成分的吸收機(jī)制甚至對(duì)調(diào)控某些激素的影響至關(guān)重要。

2.6.1 植物活性成分 植物活性成分是指植物體內(nèi)除水分、糖類(lèi)、蛋白質(zhì)類(lèi)、脂肪類(lèi)等必要物質(zhì)外的一類(lèi)對(duì)人或其他生物具有一定生理促進(jìn)作用的物質(zhì)，其中還包括一些次級(jí)代謝產(chǎn)物。

Cai等[43]利用腸道類(lèi)器官模型研究了不同濃度谷氨酸鈉、維生素C、綠原酸、咖啡酸、姜黃素和對(duì)羥基苯丙酸六種常見(jiàn)營(yíng)養(yǎng)素對(duì)小鼠腸類(lèi)器官生長(zhǎng)生長(zhǎng)速率的影響，結(jié)果表明，幾種膳食成分對(duì)腸類(lèi)器官的生長(zhǎng)無(wú)顯著影響，而咖啡酸以濃度依賴(lài)的方式抑制了小鼠腸道類(lèi)器官的生長(zhǎng)，這與其他體外結(jié)果一致[44]；但谷氨酸鈉的結(jié)果與以往不一致[45]；且王穌嬙[46]在對(duì)綠原酸進(jìn)一步的研究中利用腸類(lèi)器官構(gòu)建腸道受損模型，發(fā)現(xiàn)在一定的濃度范圍內(nèi)，綠原酸可增加腸類(lèi)器官的存活率，顯著增強(qiáng)其生長(zhǎng)和分化能力，且對(duì)受損腸道具有一定保護(hù)作用，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了綠原酸對(duì)受損腸道的保護(hù)機(jī)制，說(shuō)明了綠原酸對(duì)保護(hù)腸道以及促進(jìn)損傷修復(fù)具有重要意義。這些研究表明可以通過(guò)建立一定狀態(tài)的腸類(lèi)器官模型并總結(jié)其生長(zhǎng)和狀態(tài)來(lái)研究不同活性物質(zhì)對(duì)腸道的影響。已有研究報(bào)道了十字花科蔬菜的高攝入量與幾種胃腸道癌癥的低風(fēng)險(xiǎn)之間具有顯著相關(guān)性[47-48]。而食用十字花科蔬菜的潛在健康益處在于吲哚-3-甲醇（Indole-3-carbinol，I3C）等成分，最近Park等[49]利用小鼠小腸類(lèi)器官對(duì)I3C進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)I3C處理的腸類(lèi)器官中的杯狀細(xì)胞數(shù)量減少，但潘氏細(xì)胞的數(shù)量以及隱窩和絨毛的深度和長(zhǎng)度沒(méi)有改變，并證明了I3C可以調(diào)節(jié)Wnt和Notch信號(hào)，說(shuō)明其在調(diào)節(jié)正常細(xì)胞壽命和杯狀細(xì)胞分化中發(fā)揮重要作用。這項(xiàng)研究表明可以通過(guò)將腸類(lèi)器官的生長(zhǎng)情況與其中不同細(xì)胞的數(shù)量變化相聯(lián)系，并結(jié)合對(duì)不同信號(hào)通路的表達(dá)研究更加全面地說(shuō)明活性成分對(duì)腸道的影響。原花青素（procyanidin）是低聚花青素的前體，具有較強(qiáng)的抗氧化作用。Zhang等[50]利用輻照損傷的腸道類(lèi)器官培養(yǎng)系統(tǒng)分析原花青素B2對(duì)腸干細(xì)胞活性的影響，證明了原花青素B2具有修復(fù)輻照誘導(dǎo)損傷腸道再生的功能；Casanova等[51]利用腸道類(lèi)器官研究葡萄籽原花青素提取物及其兩種單體（兒茶素、沒(méi)食子酸）對(duì)腸道細(xì)胞的分化及激素釋放的影響，結(jié)果表明，葡萄籽原花青素提取物能促進(jìn)多種腸細(xì)胞類(lèi)型分化，抑制細(xì)胞增殖，且能夠通過(guò)調(diào)節(jié)早期轉(zhuǎn)錄因子的基因表達(dá)增強(qiáng)L-細(xì)胞分化從而增加厭食激素、胰高血糖素樣肽-1和肽YY的產(chǎn)生。該研究結(jié)果對(duì)抑制食欲和改善血糖有重要作用，為肥胖人群和Ⅱ型糖尿病患者的干預(yù)治療提供一種潛在的策略。

相對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)素，利用腸類(lèi)器官研究植物活性成分對(duì)腸道的影響及其機(jī)制的相關(guān)文獻(xiàn)更多，應(yīng)用范圍較廣，并與相關(guān)疾病的干預(yù)治療相聯(lián)系。由此可看出，腸類(lèi)器官技術(shù)已較為廣泛應(yīng)用在研究植物活性成分的吸收、相關(guān)激素的調(diào)控等方面。

2.6.2 食品添加劑 為了改善食品的感官特性、加工特性和保藏特性，往往會(huì)在食品中添加一些人工合成或天然的物質(zhì)來(lái)達(dá)到目的，包括一些著色劑、防腐劑等。

孔秀楠[52]通過(guò)建立腸道體外類(lèi)器官培養(yǎng)模型，并結(jié)合葡聚糖硫酸鈉（dextran sulphate sodium，DSS）炎癥損傷模型，研究不同來(lái)源的食用黃色素對(duì)腸類(lèi)器官生長(zhǎng)、細(xì)胞增殖分化及腸道炎癥反應(yīng)的影響與機(jī)制，結(jié)果表明姜黃素、葉黃素、羥基紅花黃A、檸檬黃和喹啉黃在低濃度條件下對(duì)腸類(lèi)器官的生長(zhǎng)無(wú)顯著影響；而日落黃會(huì)抑制腸道細(xì)胞增殖，影響腸道細(xì)胞分化，破壞腸道上皮穩(wěn)態(tài)，擾亂激素分泌，且長(zhǎng)期大量食用日落黃可能會(huì)增加患腸道炎癥的風(fēng)險(xiǎn)。Kong等[53]利用小腸類(lèi)器官模型研究日落黃色素對(duì)小腸上皮細(xì)胞的影響進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行毒理學(xué)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，日落黃作為一種食品色素會(huì)干擾小腸上皮的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，長(zhǎng)期持續(xù)服用日落黃可能增加腸道炎癥的風(fēng)險(xiǎn)。張麗穎[54]運(yùn)用腸類(lèi)器官發(fā)現(xiàn)山梨酸鉀和糖精鈉單獨(dú)毒性作用及兩者之間產(chǎn)生的協(xié)同毒性作用對(duì)誘導(dǎo)腸道細(xì)胞凋亡；除此之外，亞硫酸鈉和甜蜜素之間表現(xiàn)為拮抗毒性作用；證明了腸道類(lèi)器官是一種用于評(píng)價(jià)食品添加劑毒性及其相互作用的理想模型。

目前腸類(lèi)器官在食品添加劑方面的應(yīng)用還限于作為一種營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)手段，僅用于研究添加劑對(duì)腸類(lèi)器官的生長(zhǎng)影響，往后的研究或許可以進(jìn)一步探究其中的機(jī)制機(jī)理，也可進(jìn)一步引入腸道微生物，或與對(duì)其他組織細(xì)胞的作用相聯(lián)系等，擴(kuò)大其在該領(lǐng)域的應(yīng)用范圍、完善技術(shù)手段。

3 總結(jié)與展望

近年來(lái)，腸道類(lèi)器官技術(shù)由于保留了原組織的結(jié)構(gòu)、細(xì)胞間的相互作用和分化能力，取得了重大進(jìn)展。利用腸類(lèi)器官技術(shù)或?qū)⑵渑c其他技術(shù)相結(jié)合研究不同營(yíng)養(yǎng)素對(duì)腸道功能的影響，不僅可幫助人們規(guī)劃健康的飲食，也可以對(duì)一些疾病的預(yù)防、改善和治療提出建議，同時(shí)對(duì)新型功能性食品甚至藥物的研制、篩選有重要意義。

腸類(lèi)器官培養(yǎng)技術(shù)在10年左右的時(shí)間得到了快速發(fā)展，但腸類(lèi)器官目前在食品營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用仍處在初期階段，如何將腸類(lèi)器官更好地應(yīng)用于各類(lèi)營(yíng)養(yǎng)素的研究仍面臨著各方面的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。如來(lái)源于成體腸干細(xì)胞的腸類(lèi)器官缺乏周?chē)幕|(zhì)細(xì)胞，無(wú)法完全構(gòu)建腸道微環(huán)境；ESCs的獲取涉及到倫理問(wèn)題，存在一定爭(zhēng)議；不同來(lái)源和不同培養(yǎng)方法得到的PSCs之間也存在較大差異，且ESCs與PSCs在分化和致瘤潛能上也存在著根本的差異；大多數(shù)類(lèi)器官懸浮在基質(zhì)凝膠中，在充滿(mǎn)生長(zhǎng)因子的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，與2D細(xì)胞系培養(yǎng)相比，Matrigel基質(zhì)膠的存在會(huì)影響功能以及生化分析，并復(fù)雜化細(xì)胞的獲取和傳代，而圍繞類(lèi)器官的富集生長(zhǎng)因子可能損害組織的自然形態(tài)梯度；真實(shí)腸道環(huán)境中的重要組成部分腸道菌群在體內(nèi)也發(fā)揮著重要作用，如何將更加完整的腸道菌群與腸類(lèi)器官共同進(jìn)行長(zhǎng)期培養(yǎng)仍需要技術(shù)上的不斷完善；目前大部分食品營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的研究學(xué)者只將腸類(lèi)器官作為一種營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)的技術(shù)手段，部分學(xué)者已開(kāi)始利用其研究營(yíng)養(yǎng)素吸收的機(jī)制機(jī)理，以及引入腸道微生物進(jìn)行共培養(yǎng)，如何更加充分地利用腸類(lèi)器官這一新興技術(shù)還需要研究者們不斷探索創(chuàng)新。

類(lèi)器官技術(shù)還存在一定風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，但其在較短時(shí)間內(nèi)已得到了迅速的發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，這一方法的真正潛力將會(huì)被不斷發(fā)掘出來(lái)，為人類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)健康做出更大貢獻(xiàn)。