Science丨Hans Clevers 团队通过建立肠道类器官揭示上皮张力控制肠道细胞外排机制

摘要：细胞外排是指成熟细胞被推出肠道绒毛，进入肠腔的过程。这个过程对于维持肠道屏障功能至关重要，因为它有助于清除衰老和受损的细胞，并保持肠道上皮细胞的数量和功能【1, 2】。目前，关于肠道细胞外排的机制存在一些不同的观点。一种流行的观点认为，细胞外排是由绒毛尖端细胞

撰文 | 格格

细胞外排是指成熟细胞被推出肠道绒毛，进入肠腔的过程。这个过程对于维持肠道屏障功能至关重要，因为它有助于清除衰老和受损的细胞，并保持肠道上皮细胞的数量和功能【1, 2】。目前，关于肠道细胞外排的机制存在一些不同的观点。一种流行的观点认为，细胞外排是由绒毛尖端细胞密度增加引起的挤压所触发的。这种观点认为，随着细胞在绒毛尖端聚集，空间变得有限，从而导致细胞挤压，最终触发细胞外排【3】。然而，这种观点存在一些问题。例如，细胞外排不仅在绒毛尖端发生，而是在整个绒毛上都发生，且频率逐渐增加，直至绒毛尖端达到峰值【4,5】。此外，绒毛底部和隐窝区域的细胞密度很高，而绒毛中部的细胞密度较低，这与细胞挤压模型不符。由于肠道结构复杂，很难在体内直接研究细胞外排的机械力量和细胞动态。因此，需要建立一种实验平台来研究细胞外排的机制，并确定哪些因素调控这一过程。

近日，来自荷兰皇家艺术与科学学院乌得勒支大学医学中心的Hans Clevers研究团队在 Science 杂志发表题为

Epithelial tension controls intestinal cell extrusion的研究论文，该研究旨在探索调控肠道细胞外排的机制，并阐明其在维持肠道稳态中的作用。通过建立肠道类器官，结合CRISPR-Cas9技术，该研究揭示了肠道细胞外排是由细胞之间动态的“拔河”竞争所调节的，而非细胞密度增加引起的挤压。这种竞争机制通过消除细胞组织的“弱点”来维持其机械完整性，从而保持肠道屏障功能的稳态。

首先，研究人员研究了肠道上皮细胞的挤出过程。他们使用小鼠肠道类器官进行长期活细胞成像，并利用神经网络技术追踪单个细胞。他们发现，肠道类器官中存在着两种不同的细胞挤出模式：一种是凋亡性细胞挤出，另一种是活细胞挤出。活细胞挤出是主要的类型，并且细胞挤出事件在空间和时间上呈现出相关性，即细胞倾向于彼此靠近并依次挤出。研究人员进一步分析了细胞挤出事件的位置和局部细胞密度，发现细胞挤出并非主要受组织拥挤驱动，而是从具有平均或低细胞密度的区域内发生。

其次，研究人员探讨了肠道绒毛中的肌动蛋白网络。他们使用磷酸化肌球蛋白 II 抗体对小鼠肠道进行染色，发现肌球蛋白 II 在绒毛细胞的基底表面显著富集，且从绒毛根部到绒毛尖端逐渐增加。为了测试肠道绒毛尖端在体内是否处于张力状态，研究人员在野生型小鼠的肠道绒毛不同区域进行线形激光消融。结果发现，无论是绒毛根部还是绒毛尖端，消融后组织都会发生与消融线垂直的向外退缩，表明绒毛尖端处于张力状态。

接着，研究人员研究了基底肌动蛋白网络如何影响细胞挤出。他们构建了表达荧光标记肌球蛋白 II 的肠道类器官，并通过活细胞成像观察到，在细胞挤出过程中，肌球蛋白 II 在细胞基底迅速增加，并像拉链一样沿着细胞侧面向顶端重新分布。为了模拟体内组织结构，研究人员将肌球蛋白 II 报告类器官种植在三维水凝胶上，并观察到基底肌球蛋白 II 在类器官绒毛尖端呈现出动态重排，这表明单个细胞的力量动态变化，并维持组织张力。研究人员利用光遗传学方法控制肠道类器官中肌球蛋白 II 介导的收缩和组织张力，发现局部光激活会导致类器官收缩，并使细胞挤出率增加。为了研究相邻细胞之间收缩能力差异对细胞挤出的影响，研究人员将野生型细胞和光遗传学细胞混合形成镶嵌类器官，并发现当光遗传学细胞占多数时，野生型细胞会被优先挤出。

最后，研究人员探索了基底细胞皮质完整性对细胞挤出的影响。他们使用红外激光微手术破坏单个细胞基底细胞皮质的完整性，发现这会导致目标细胞在 1 小时内被挤出。研究人员进一步发现，肌球蛋白 II 活性对于执行细胞挤出和及时移除机械性受损细胞至关重要。他们还发现，当激光刺激张力承载的双或三细胞基底外侧连接时，会同时挤出成对或成组的细胞，这表明多细胞连接的机械性不稳定会导致受影响细胞同时挤出。最后，研究人员发现，在自发挤出的细胞周围，肌球蛋白II水平会显著增加，表明细胞会通过肌球蛋白II上调来触发自身的挤出，并得到相邻细胞肌球蛋白II上调的协同作用。

图一上皮张力控制肠道细胞外排

总之，该研究发现肠道上皮细胞的挤出过程并非主要由组织拥挤驱动，而是由细胞之间相互作用的张力控制。这意味着细胞之间的“拔河”竞争维持着肠道上皮屏障的机械完整性，并为维持肠道稳态提供了一种新的视角。

制版人：十一

参考文献

1. T. Sato et al., Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche.Nature459, 262 – 265 (2009).

2. N. Gjorevski et al., Tissue geometry drives deterministic organoid patterning.Science375, eaaw9021 (2022).

3. R. M. Houtekamer, M. C. van der Net, M. M. Maurice, M. Gloerich, Mechanical forces directing intestinal form and function. Curr. Biol. 32, R791 – R805 (2022).

4. T. F. Bullen et al., Characterization of epithelial cell shedding from human small intestine.Lab. Invest.86, 1052 – 1063 (2006).

5. J. M. Williams et al., A mouse model of pathological small intestinal epithelial cell apoptosis and shedding induced by systemic administration of lipopolysaccharide.Dis. Model. Mech.6, 1388 – 1399 (2013).

学术合作组织

（*排名不分先后）