《mLife》：Exploring microorganism–host interactions: Emerging organoid models and analytical approaches
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本文綜述了近年來在微生物-宿主相互作用研究領(lǐng)域，基于人類干細(xì)胞或組織祖細(xì)胞構(gòu)建的類器官（Organoid）模型及其整合分析技術(shù)的進(jìn)展。相較于傳統(tǒng)細(xì)胞系培養(yǎng)與動物模型，類器官憑借其三維結(jié)構(gòu)與更貼近體內(nèi)環(huán)境的特性，為精確模擬病原體與益生菌在皮膚、腸道、呼吸道等器官中的感染、定植、免疫響應(yīng)及致病機(jī)制提供了革命性平臺。本文系統(tǒng)梳理了各類器官模型（如腸道、皮膚、呼吸道、泌尿生殖道及血腦屏障類器官）的應(yīng)用實(shí)例、優(yōu)勢（如模擬組織屏障、研究人類特異性病原體）及其當(dāng)前局限性（如缺乏血管化及免疫組分）。同時探討了器官芯片（Organ-on-a-Chip, OOC）技術(shù)與空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)、多組學(xué)整合等先進(jìn)分析方法在深化機(jī)制研究中的作用與挑戰(zhàn)，并展望了人工智能（Artificial Intelligence, AI）輔助分析的前景。本文為研究者選擇合適模型與分析方法、全面理解宿主-微生物互作提供了系統(tǒng)參考。
微生物-宿主相互作用研究的新興利器：類器官模型
微生物（包括細(xì)菌、真菌等）與人體健康息息相關(guān)，其相互作用機(jī)制是疾病研究與健康管理的關(guān)鍵。傳統(tǒng)研究主要依賴二維（2D）細(xì)胞系培養(yǎng)與動物模型，但它們分別存在生理結(jié)構(gòu)單一、物種差異大等問題。近年來，源自人類干細(xì)胞或組織祖細(xì)胞、能夠自組裝形成三維（3D）結(jié)構(gòu)的類器官異軍突起，為精準(zhǔn)模擬不同器官（如腸道、皮膚、肺）的微環(huán)境及其與微生物的動態(tài)互作開辟了新途徑。
超越傳統(tǒng)：為何選擇類器官？
類器官的核心優(yōu)勢在于其生理相關(guān)性。它能復(fù)現(xiàn)體內(nèi)器官的關(guān)鍵細(xì)胞類型與結(jié)構(gòu)，例如腸道類器官包含成熟的腸上皮細(xì)胞、潘氏細(xì)胞、杯狀細(xì)胞等；呼吸道類器官在氣液界面培養(yǎng)下能形成纖毛與黏液層，模擬真實(shí)的氣道屏障。這種仿生結(jié)構(gòu)使得感染研究更貼近臨床情境。
相較于動物模型，類器官為研究人類特異性病原體（如莫拉克斯氏菌）或需要特定宿主細(xì)胞才能復(fù)制的微生物提供了可能。同時，它提供了一個可控的實(shí)驗(yàn)平臺，能排除體內(nèi)復(fù)雜因素的干擾，專注于細(xì)菌與上皮細(xì)胞的直接作用。此外，類器官也充當(dāng)了連接小鼠研究與人類研究的橋梁，用于驗(yàn)證動物模型發(fā)現(xiàn)的機(jī)制。
應(yīng)用實(shí)例：各類器官模型大展身手
腸道類器官：作為人體最大的微生物棲息地，腸道是研究的重點(diǎn)。通過類器官，研究者得以精細(xì)觀察沙門氏菌、李斯特菌的入侵路徑及其誘導(dǎo)的屏障破壞過程。例如，微注射攜帶pks基因島（編碼大腸桿菌素合成酶）的大腸桿菌進(jìn)入結(jié)腸類器官并長期共培養(yǎng)后，直接在宿主上皮細(xì)胞中誘導(dǎo)出了與結(jié)直腸癌相關(guān)的獨(dú)特突變特征。類器官還能用于評估益生菌（如嗜黏蛋白阿克曼氏菌）對上皮修復(fù)的效應(yīng)，或研究腸道菌群整體變化引發(fā)的炎癥反應(yīng)。
皮膚類器官：能夠模擬包含表皮、真皮甚至附屬器的完整皮膚結(jié)構(gòu)，用于研究皮膚感染性疾病。例如，紅色毛癬菌感染模型揭示了其上調(diào)抗炎因子IL-1RN以適應(yīng)宿主皮膚并維持慢性感染的能力。皮膚類器官還能用于評估耐甲氧西林金黃色葡萄球菌生物膜對抗生素的反應(yīng)，或研究痤瘡丙酸桿菌與金黃色葡萄球菌在宿主環(huán)境下的競爭關(guān)系。
呼吸道類器官：這類模型在模擬囊性纖維化、慢性阻塞性肺病等慢性呼吸系統(tǒng)疾病的感染方面表現(xiàn)突出。例如，來自囊性纖維化患者的類器官能夠同時復(fù)現(xiàn)CFTR通道功能障礙、黏液積聚等病理特征，并支持耐藥膿腫分枝桿菌的生長，有助于發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)（如NRF2-NQO1抗氧化通路）。研究還發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌會特異性入侵并殺死杯狀細(xì)胞，從而破壞上皮屏障。
泌尿生殖道類器官：由膀胱或輸尿管祖細(xì)胞構(gòu)建的類器官，可模擬尿路上皮的層次結(jié)構(gòu)和對尿液的耐受性，是研究尿路感染中病原體（如尿路致病性大腸桿菌）形成細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌群落或靜止細(xì)胞內(nèi)庫等逃逸機(jī)制的理想模型。
輸卵管與胃類器官：人輸卵管類器官能長期維持沙眼衣原體的慢性感染，這是傳統(tǒng)細(xì)胞系無法做到的，從而揭示了病原體如何通過激活LIF信號通路來增加宿主細(xì)胞的干性。胃類器官則為研究幽門螺桿菌與不同胃上皮細(xì)胞譜系的相互作用及其致癌機(jī)制提供了更貼近生理的平臺。
進(jìn)階整合：器官芯片與先進(jìn)分析技術(shù)
單純的類器官模型仍缺乏血管系統(tǒng)和免疫細(xì)胞。器官芯片技術(shù)通過微流控系統(tǒng)，將類器官與內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞等整合在可控的流體環(huán)境中，更真實(shí)地模擬感染過程中的免疫反應(yīng)和細(xì)胞間通訊。例如，在包含血管的“膀胱芯片”中，可以觀察到免疫細(xì)胞如何響應(yīng)感染并穿過內(nèi)皮屏障，以及抗生素為何難以清除細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌群落。
在分析技術(shù)層面，研究已從轉(zhuǎn)錄組測序向單細(xì)胞分辨率和空間多組學(xué)整合邁進(jìn)。空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)（如Nanostring GeoMx）允許在組織或類器官切片上同時定位宿主與病原體的基因表達(dá)，揭示感染界面的分子特征。例如，在銅綠假單胞菌感染的角膜組織中發(fā)現(xiàn)，鐵獲取相關(guān)基因在宿主-病原體界面顯著富集。整合蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等多維度數(shù)據(jù)，能夠更全面地解析宿主應(yīng)對感染時的系統(tǒng)性分子重編程。
局限與展望：正視挑戰(zhàn)，未來可期
盡管前景廣闊，但類器官模型仍有其局限性。最主要的是缺乏完整的血管系統(tǒng)和免疫組分，限制了其對全身性免疫反應(yīng)和炎癥過程的模擬。類器官的成熟度（尤其由誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生而來時）以及與成體組織的差異仍需優(yōu)化。此外，患者來源的類器官存在個體差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀需謹(jǐn)慎。
因此，類器官應(yīng)當(dāng)作為傳統(tǒng)模型的補(bǔ)充而非替代。結(jié)合動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究進(jìn)行交叉驗(yàn)證，方能獲得更可靠的結(jié)論。未來，隨著類器官構(gòu)建技術(shù)（如整合更多細(xì)胞類型、優(yōu)化培養(yǎng)條件）與人工智能輔助的數(shù)據(jù)分析方法的不斷發(fā)展，我們有望在更加逼真的“人工器官”中，以前所未有的精度揭示微生物與宿主之間復(fù)雜而精密的相互作用網(wǎng)絡(luò)，為攻克感染性疾病、開發(fā)新型療法鋪平道路。
