肠道类器官培养中的生物材料和生物传感器研究进展

摘要：肠道类器官作为一种新兴技术，是胃肠病学基础研究和转化研究的新工具。目前，肠道类器官的培养主要依赖于一种来源于肿瘤的支架，即基质凝胶，这种支架可能对类器官植入造成致瘤风险。除了传统的组织切片、荧光染色等检测方法外，肠道类器官的监测需要实时生物传感器，能够适应其三维动态生长模式。本文综述了肠道类器官培养专用水凝胶支架的研究进展，确定了支架设计的关键参数。此外，根据不同的基质组成如pH、电解质和功能蛋白，我们总结了现有的活体成像生物传感器，并阐明了其潜在的机制。我们希望通过这篇综述提高对肠道类器官培养的认识，并为其研究提供更实用的途径。

图1：多种生物材料在肠道类器官培养和植入中的应用。(a)在传统的生物相容性聚合物中，纤维蛋白和聚乙二醇基生物支架已被确定在特定条件下(包括活性生物分子的存在和适当的刚度)适合肠道类器官培养。(b,c)镍钛诺弹簧的机械刺激可促进肠道类器官形态成熟。（d）微流体装置使人类器官衍生的肠绒毛能够容易地进行细胞培养系统。(e)由于形状一致，种植有肠道器官的支架更容易与本地肠道吻合。HA，透明质酸，消化道，人类肠道器官，PEG，聚乙二醇

图2：从pH、电解质和功能蛋白方面分析肠道类器官的生理变化。Cl⁻/HCO₃⁻交换器。NHE3，Na⁺/ H⁺交换器。cHKA,结肠H⁺/ K⁺ ATP泵。CLC2，氯通道2。NBCe转运体，钠偶联碳酸氢盐转运体。Glut-2,葡萄糖transporter-2。KCNN4和KCNQ1/KCNE3, K⁺通道按电导排序，KCNN4(中等电导)，KCNQ1/KCNE3(小电导)

图3：特异性荧光染料和荧光基因编辑对肠道类器官的实时成像(a)由pH调节的SNARF的酚取代基决定了双发射特性。(b)当暴露于不同PH值时，CBD-ECFP具有不同的荧光寿命分布。(c) Ca²⁺与GCaMP2的结合可以导致构象(左)和光谱性质(右)的变化。吸光度，虚线。荧光发射，实线。(d)将K⁺敏感的FI3染料封装在RL100纳米颗粒中，可改善其光稳定性。(e)利用CRISPR-Cas9将CreER激活的多色彩虹报告基因与LGR5基因和KRT20基因融合。在他莫昔芬(Tam)处理下，LGR5+或KRT20+细胞可随机切换其遗传颜色编码为YFP、RFP、CFP或GFP。LGR5，肠干细胞标记物。KRT20，分化细胞的标记物。CBD, cellulose-binding域;增强青色荧光蛋白;基于硼-二吡咯甲基(BODIPY)的K⁺敏感氟离子载体FI3;SNARF,seminaphthorhodafluor

结论：本文就水凝胶支架在肠道类器官培养中的应用作一综述。对支架的几个关键修饰可能有助于获得合适性，包括:(a)合适的RGD偶联;(b)合适的刚度;(c)补充层粘连蛋白111。在设计和优化新型支架时，应考虑这三个条件。此外，我们还综合列出了可用于活体肠类器官成像的荧光染料和基因操作方法。通过这些方法，我们可以实时检测pH值、电解质和功能蛋白，从而连续检测肠道类器官。