胃部类器官模型揭示幽门螺杆菌感染中的细胞类型特异性宿主-病原互作

胃癌和消化性溃疡等胃部疾病与幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)感染密切相关，这些疾病在全球范围内仍是重要的健康问题。幽门螺杆菌通过附着在胃上皮细胞的连接处形成微环境，从而在宿主体内建立持久性感染。患者可能数十年无症状，但感染最终可能发展为消化性溃疡或胃腺癌。然而，这些疾病的许多潜在机制，如早期单个细菌与宿主细胞的相互作用以及从慢性炎症到恶性转变的过程，尚未得到充分理解。

这种理解的缺乏主要源于现有模型系统的局限性。传统的体外模型无法复制胃中存在的生理条件，如pH水平变化、粘液产生和胃上皮细胞的各种分化状态。胃窦部是幽门螺杆菌感染的主要部位，其腺体上皮由干细胞和早期祖细胞、MUC6阳性颈细胞、PGC阳性主细胞和MUC5AC阳性窝细胞组成。近年来，人源胃类器官培养为研究幽门螺杆菌感染提供了更生理相关的工具，但现有模型在模拟胃的复杂结构或维持长期共培养方面仍存在挑战。

为了解决这些问题，研究者基于先前的可观察性鼠源胃类器官模型，开发了一种双侧可接触的、保持稳态的、几何图案化的人源胃类器官芯片系统。该系统能够同时包含祖细胞和完全分化的窝细胞，特别是在引入生理相关的酸性环境后，能够产生比传统类器官更高成熟度的窝细胞，为研究幽门螺杆菌感染提供了更好的平台。相关研究结果以题为Accessible homeostatic gastric organoids reveal secondary cell type-specific hostpathogen interactions in Helicobacter pylori infections发布在Nature communications期刊。

图示描述

1) 模型建立与特征：研究者成功建立了一种人源胃类器官芯片系统(Transgels)，该系统在预定图案的水凝胶表面上培养上皮细胞，放置于聚二甲基硅氧烷(PDMS)装置中，允许实验者接触上皮的两侧。研究通过免疫荧光分析证实，该模型在形态上模拟了胃窦腺体的结构，SOX9和KI67阳性的干细胞和祖细胞主要位于腺体区域，而MUC5AC阳性的窝细胞则位于表面区域。此外，该系统还包含MUC6和PGC阳性的颈/主细胞以及CHGA阳性的肠内分泌细胞，充分反映了胃上皮的细胞多样性。通过单细胞RNA测序分析表明，与传统类器官相比，Transgels系统能够产生更高成熟度的窝细胞，特别是在引入生理相关的酸性环境后更为显著。

图1 腺体模式胃上皮模型的建立

2) 幽门螺杆菌感染模型：研究者将幽门螺杆菌引入完全分化的Transgels上皮的顶端，在中性或酸性环境中进行感染。感染24小时后，通过洗涤去除未附着的细菌，然后继续培养6天，每天更换培养基模拟胃排空。荧光染色证实细菌附着在细胞-细胞连接处并形成细菌簇，而使用两种不同颜色的细菌株证实了这些簇的克隆性。重要的是，从第2天到第6天，无论在中性还是酸性条件下，菌落形成单位(CFU)计数保持稳定，表明细菌能够建立一个保护自身免受酸性环境影响的微环境。这成功构建了一个稳态幽门螺杆菌感染模型，为研究感染的即时和长期效应提供了机会。

图2 幽门螺杆菌感染

3) 急性和持续感染的细胞类型特异性反应：通过对感染和未感染的Transgels类器官进行单细胞RNA测序，研究者分析了不同细胞类型对幽门螺杆菌感染的反应。在中性条件下，符合之前研究报道的是，感染的祖细胞、颈细胞和未成熟窝细胞通过产生脂蛋白(LCN2)、多聚免疫球蛋白受体(PIGR)和炎症细胞因子(如CCL20、CXCL8、CXCL1、CXCL2和CXCL3)对感染做出反应。窝细胞虽然上调炎症因子的能力有限，但研究发现它们有另一种转录反应：这些细胞不仅上调LCN2、CCL20和PIGR的表达，还特异性上调IgGFc结合蛋白(FCGBP)以及双氧化酶2(DUOX2)和双氧化酶成熟因子2(DUOXA2)，形成一个产生过氧化氢的复合体。

图3 利用细胞RNA测序的所有细胞的单UMAP图比较转凝胶类器官和相对基因表达值

4) 酸性环境下的特异性反应：在更具生理相关性的酸性环境中，研究者观察到祖细胞和未成熟窝细胞在感染两天后上调金属硫蛋白(包括MT1E、MT1G、MT1X和MT2A)。而成熟窝细胞在酸性条件下，感染6天后显著增强了DUOX2和DUOXA2的上调，同时上调了涉及细胞-细胞连接的基因，如闭锁蛋白(OCLN)、紧密连接蛋白7(CLDN7)和LIM结构域7(LMO7)。通过免疫荧光分析证实了DUOX2在蛋白质水平的上调，并通过小分子抑制剂Compound 521的实验证明了DUOX2/DUOXA2复合体在抗菌中的直接重要性。在DUOX2抑制的情况下，细菌负荷和死亡细胞数量显著增加。

图4 幽门螺杆菌感染样本的特异性反应显示细胞型

全文总结

本研究揭示了幽门螺杆菌感染中精细的细胞类型特异性反应。虽然祖细胞、颈细胞和未成熟窝细胞的炎症反应符合先前报道，但研究特别发现成熟窝细胞在生理相关的酸性条件下，会上调细胞连接蛋白和DUOX2/DUOXA2介导的抗菌反应，这一发现之前未被报道。研究者推测，这种反应可能依赖于细菌与细胞之间的紧密相互作用，而这种相互作用只能在酸性条件下重现。这一发现丰富了研究者对幽门螺杆菌感染的理解，也为胃健康和疾病进展的研究提供了新的视角。