摘要：人类的胃沿前后轴方向具有显著的区域化功能特征。传统上，关于胃区域模式形成的研究主要依赖动物模型来揭示其基本原理。近年来，基于人多能干细胞（hPSC）的胃类器官技术逐渐兴起，可用于模拟胃底和胃窦上皮的区域特异性发育过程。
人类的胃沿前后轴方向具有显著的区域化功能特征。传统上，关于胃区域模式形成的研究主要依赖动物模型来揭示其基本原理。近年来，基于人多能干细胞（hPSC）的胃类器官技术逐渐兴起，可用于模拟胃底和胃窦上皮的区域特异性发育过程。
然而，在早期胃器官发生过程中重现自组织的胃底–胃窦模式仍然具有挑战性，这成为深入理解胃器官发生机制的一大障碍。
清华大学邵玥团队报道了一种人源胃类器官——一种源自hPSC、能够自组织形成多谱系结构的胃类器官模型，用于在体外模拟胃底–胃窦模式。
通过多胚层协同发育，生成了具有双极胃底–胃窦模式上皮腔室的胃类器官，其胃底区域附近附着有神经细胞群，并被间充质细胞包裹，从而在分子、细胞、结构和解剖学层面与体内胃发育展现出高度相似性。
非内胚层细胞，尤其是神经细胞群，作为关键的信号中心，通过WNT介导的细胞间通讯调控胃类器官中的胃底–胃窦模式形成。
单细胞转录组分析与基因沉默实验进一步揭示，NR2F2是胃类器官发育中胃底-胃窦模式形成的关键调控因子。
本研究阐明了调控胃部模式形成的基本原理，并为推动胃器官发生及胃类器官发育研究提供了一个更高保真度的平台。
文章介绍
题目：人类胃类器官模型用于模拟早期胃发育的区域模式
杂志：Nature
影响因子：48.5
发表时间：2025年9月
#1
研究背景
Background
胃作为高度结构化的器官，包含上皮、间质和神经组织等多谱系成分，并沿前后轴（AP轴）呈现区域性功能分化（图1a）。分别位于胃前部与后部的胃底和胃窦承担着不同的分泌与消化功能，二者协同决定了胃的形态与功能。
图1
尽管这一过程至关重要，但在早期胃器官发生过程中，胃底-胃窦这种沿后前肠（PFG）前后轴的模式化是如何形成的仍不明确。
由人诱导多能干细胞（hPSC）生成的人体类器官，不仅为推进人类发育的基础研究提供了重要途径，也为疾病建模、药物筛选和再生治疗等转化应用带来了可能。
尽管目前已成功构建了模拟外胚层和中胚层衍生器官（例如脊髓和肾脏）中复杂模式形成的类器官模型，但用于模拟胃等内胚层来源的消化器官中自主组织的AP轴模式形成的类器官模型仍尚未实现。
本研究采用基于多谱系单层细胞的方法，建立了一种高保真类器官模型，以重现人类胃器官发生过程中胃底-胃窦不对称性的形成过程。
#2
研究关键点
Key points
1. 利用人类多能干细胞，通过特定的培养条件，诱导其分化并自组织形成包含胃底和幽门区域的胃类器官；
2. 探究了非内胚层细胞、WNT信号通路在胃底-幽门模式形成中的作用；
3. 利用单细胞转录组学分析细胞异质性，为理解胃发育过程中的细胞谱系分化提供了基础；
4. 验证了NR2F2是胃类器官发育中胃底-幽门模式形成的关键调控因子。
#3
研究结果
Results
1、胃底-胃窦模式胃类器官
该研究采用多谱系共培养策略，首先使用定制的U型底微孔阵列将人多能干细胞（iPS18细胞系）高效聚集成尺寸均一的拟胚体（EB），第1-2天用BMP4和激活素A处理；第2天将EB转移至预包被Geltrex的培养板，第4天形成包含不同胚层标志物表达细胞的多谱系单层结构；第7天肠道球状体以自筛选方式从多谱系细胞单层自发芽生；第10天可区分的上皮样或间充质样形态细胞。
第16天形成由三个独立区域组成的多谱系组织结构：较大管腔的柱状上皮囊（区域i）、较小管腔的复层结构（区域ii）以及周围弥散状间充质样细胞（区域iii）（图1b）。
图1
区域i是由GATA4⁺SOX2⁺胃上皮细胞构成的管腔状结构，其中PDX1呈不对称表达，界定了胃窦区域。此类具有不对称多谱系特征的类器官约占第16天所有类器官的50%，其余则为GATA4⁺SOX2⁺PDX1⁻的胃底样胃类器官（FGO）和主要由上皮细胞组成的GATA4⁺SOX2⁺PDX1⁺的胃窦样胃类器官（AGO）。
在GATA4+SOX2+ECAD+胃上皮结构旁边，区域ii呈现出一种由表达早期神经标志物的细胞组成的NCAD+分层结构（图1f），提示这些细胞的身份为神经祖细胞（NPC）。在区域ii附近还观察到NCAD+SOX10+类神经嵴细胞（ENCC）（图1f），表明神经细胞与胃底-胃窦模式化之间可能存在功能联系。
这种不对称的胃部模式和多谱系组织结构，尤其是胃底区域与神经细胞群相邻定位的特征，也与小鼠胚胎E10.5期（胚胎发育第10.5天）时胃的胃底-胃窦模式处于初始阶段所观察到的情况相似。
图1
2、非内胚层细胞的作用
接下来比较了由常规定型内胚层（DE）单层产生的PFG球体与多谱系单层方法产生的PFG球体。通过常规DE单层方法获得的PFG球体具有一个清晰的内腔，其被GATA4+、FOXA2+、CDH1+的PFG上皮所包裹。
由多谱系单层方法生成的肠球体含有一个FOXA2−、CDH1−内层细胞团（ICC），其被外层的GATA4+、FOXA2+、CDH1+内胚层细胞所包围（图2a），其中内胚层细胞的EZRIN+顶端面朝向外侧，而LAMININ+的基底层位于内侧。
图2
这些肠球体中存在非内胚层细胞。因此，将这些肠球体称为多谱系PFG肠球体。值得注意的是，该研究采用U型底微孔板制备的EB产生了更多数量的多谱系PFG球体。
接下来探究了非内胚层来源的FOXA2−CDH1−ICC是否在胃类器官模式中发挥作用。选取含有清晰可见ICC的肠道球体，在第7天通过显微手术刺破多谱系PFG球体并移除ICC，显微手术成功率高达100%。
未移除ICC的对照组显示出超过90%的高效胃类器官诱导率。移除ICC后，胃上皮中的胃底-胃窦分区模式被破坏，转而形成类似胃窦的GATA4+SOX2+PDX1+上皮结构（图2d）。
这些结果表明，PFG球体中的多谱系细胞组分对胃类器官发育至关重要，且其中ICC在胃类器官胃底-胃窦分区模式形成中具有关键作用。
图2
3、单细胞转录组分析
对胃类器官在不同发育阶段进行单细胞RNA测序，结果显示胃类器官中上皮、神经和间充质谱系存在时序共发育特征。
为探究胃类器官是否重现胃的标志性特征，同时与食管和肠道的特征形成区分，将胃类器官的scRNA-seq数据与妊娠第7、14和17周（胃）或第7-19周（食管和肠道）的人类胎儿内胚层器官（即食管、胃和肠道）数据进行了对比。
胃类器官中的上皮组织仅表达胃特异性标志物CLDN18。第16天的胃类器官涵盖了人类胎儿胃的主要细胞类型（胃上皮细胞、神经细胞、间充质细胞和内皮细胞）（图3a），且胃类器官与人类胎儿胃的对应细胞类型之间呈现出高度的转录组相似性。胃类器官中的神经细胞群也与人类胎儿胃中鉴定出的神经谱系相重叠。
图3
4、人类胃类器官中的上皮模式形成
为探究胃上皮中胃底-胃窦区室化形成的潜在机制，将胃类器官上皮细胞的scRNA-seq数据与人类胎儿胃上皮组织的数据进行了整合与比较。
胃类器官上皮细胞同样可划分为四个主要亚群，即胃上皮前体细胞、胃底上皮细胞、胃窦上皮细胞以及TFF2高表达腺细胞。
此外，对该整合数据集的分析不仅揭示了胃底-胃窦区室化的经典标志物（PDX1）和非经典标志物（NR2F2），还发现了前体细胞标志物（EZH2）及特异性TFF2高表达腺细胞标志物（UPK1B和PLAC8）。
除PDX1等经典标志物外，还发现了若干先前未被重视的特征基因（包括LAMC2、HOXB2和HOXC5），这些基因在人类类胃体与人类胎儿胃中均与胃底-胃窦模式相关。
免疫荧光染色验证了PDX1和LAMC2在胃类器官胃窦区域的富集表达（图3f）。HOXC5和HOXB2分别在类胃体胃底与胃窦区域表达（图3h）。
这些数据支持类胃体与人类胎儿胃在主要上皮细胞组成上的一致性，并证实胃类器官具有揭示胃底-胃窦模式相关分子特征的能力。
图3
5、神经组织作为WNT信号中心
在众多信号通路中，WNT信号表现出从神经细胞（作为发送者）到胃上皮细胞（作为接收者）之间最强的交互作用，其通过诸如WNT2B-FZD2/LRP6等WNT配体-受体对实现。
相较于胃窦细胞，胃底细胞作为接收者在源自神经细胞的这一WNT信号交互中受到的影响更为显著。在胃类器官胃底区相邻的神经组织中，WNT2B存在广泛表达。
使用TopFlash-mCherry报告基因H1细胞系构建胃类器官，观察到显著的TCF报告基因活性（即WNT响应的激活）仅出现在靠近神经组织的上皮区域（图4c），表明位于胃底部邻近区域的神经细胞群体可能作为WNT旁分泌信号源，驱动胃的模式形成。
图4
使用小分子抑制剂IWP2（抑制WNT生成）和IWR1（抑制WNT响应）均导致胃底-胃窦区室化完全消失，最终主要形成AGO。与之前AGO表型相似。
采用经基因编辑的hPSC系（削弱WNT分泌能力）制备神经球体，同时使用未修饰的野生型hPSC制备上皮PFG球体，进而构建包含这两种组分的胃组装体。
结果显示，由野生型上皮PFG球体与PORCN-KD或WLS-KD神经组织构成的胃组装体中，胃底-胃窦区室化基本消失（图4e）。这些证据确证了源自神经组织的WNT旁分泌信号对于诱导胃上皮组织中的胃底特化及胃底-胃窦区室化具有关键作用。
图4
6、NR2F2介导胃底-胃窦模式形成
在胃类器官和人类胎儿胃中均发现NR2F2是胃底富集基因。NR2F2在类器官胃底高表达。
由于上皮细胞NR2F2对人类胃模式形成的功能重要性尚不明确，利用胃类组装体系统并特异性抑制胃上皮中的NR2F2，构建了胃类器官组装体——其上皮PFG球体采用NR2F2敲低的人多能干细胞制备，神经球体则来自野生型人多能干细胞。
与野生型对照相比，含有NR2F2敲低胃上皮的类组装体表现出明显的胃底分化受损和胃窦区域扩展（图5f）。这些数据表明NR2F2是人类胃上皮中胃底分化的关键调控因子，因而也是胃底-胃窦模式形成的重要介导分子。
图5
小结
该研究发现，非内胚层组织对于诱导原本具有双向分化潜能的原始肠上皮形成胃底-胃窦模式具有重要作用。通过结合单细胞分析与胃类器官组装系统，进一步证实了神经组织作为旁分泌WNT信号中心在诱导胃底-胃窦上皮模式形成中的关键功能。
这种基于与不同胚层起源组织物理邻近性而实现的胃模式化构建，为理解和体外重建消化器官模式化提供了一个前所未有的新范式。此外，NR2F2 是胃底分化的一个关键调控因子，对于促进胃底-胃窦区域模式的形成至关重要，但其背后的具体调控机制仍有待进一步研究。
总体而言，胃类器官模型可能为解析和重建胃发育的程序提供新途径，为基础研究和转化应用开辟方向。
参考文献
Li X, Lin F, Cui Q, Sun S, Li S, Wang Y, Wang Y, Bai J, Liu S, Guo J, Han Y, Zhang M, Chang T, Zheng Y, Liu J, Liu L, Wang L, Fu J, Liu X, Bai B, Shao Y. Human gastroids to model regional patterning in early stomach development. Nature. 2025 Sep 10. doi: 10.1038/s41586-025-09508-8.
来源：培养盒守护者