利用 3D 小鼠胃类器官模拟脂多糖诱导的炎症研究

胃炎是胃黏膜的炎症状态，常与幽门螺杆菌(H. pylori)感染相关，可进展为溃疡甚至胃癌。作为革兰氏阴性菌的关键致病成分，脂多糖(LPS)通过结合胃腺细胞的 TLR4 受体激活 NF-κB 通路，诱导促炎细胞因子释放和免疫细胞浸润，但其对胃上皮细胞的直接损伤作用仍存争议。传统研究模型(如患者样本或小鼠模型)存在时空分辨率不足或异质性干扰等问题，而 3D 胃类器官能保留腺体细胞组成和功能，为解析 LPS 的直接作用提供了理想工具。本研究利用小鼠胃类器官，系统探究不同浓度 LPS 对胃腺上皮细胞的影响，揭示其在胃炎发生中的直接作用机制。

来自中国科学技术大学的团队在《Cell Biology International》(2025 年)发表了题为Modeling Lipopolysaccharide-Elicited Inflammation Using 3D Mouse Gastric Organoids的研究。

核心内容如下：

研究方法：

胃类器官培养：从小鼠胃组织分离腺体，在 Matrigel 中构建 3D 类器官，验证其表达腺细胞标志物(如壁细胞的 Atp4b、黏液细胞的 Muc5ac);

LPS 处理：采用不同浓度 LPS(100 ng/mL 至 5 μg/mL)处理类器官，通过 EdU 标记检测增殖，免疫荧光分析细胞极性(肌动蛋白染色)，Western blot 检测 NF-κB 和 MAPK 通路激活，RT-qPCR 量化炎症因子(Il1b、Il6、Tnf)及腺体细胞标志物的表达变化。

关键结果：

类器官模型有效性：成功构建的胃类器官表达多种腺细胞标志物(Atp4b、Muc5ac、Lgr5 等)，且表达 TLR4，LPS 处理后可激活 NF-κB 通路(p65 磷酸化和核转位);

浓度依赖性效应：低浓度 LPS(200 ng/mL)促进类器官增殖(EdU + 细胞增加)和损伤后形态恢复，激活 MAPK 通路(ERK1/2 磷酸化);高浓度 LPS(2-5 μg/mL)破坏细胞极性(肌动蛋白分布异常)，导致管腔细胞聚集和类器官塌陷;

基因表达变化：高浓度 LPS 诱导促炎基因(Il1b、Il6、Tnf)上调 6-8 倍，同时下调黏液细胞标志物(Muc5ac、Tff1)、壁细胞标志物(Atp4b)及细胞连接基因(Cdh1、Ocln)，模拟胃炎病理特征。

实验结果

图 1：小鼠胃类器官的建立及对 LPS 的响应

该图验证类器官模型的有效性。(A)类器官构建流程：胃组织分离→腺体提取→Matrigel 包埋→培养，48 小时形成成熟结构;(B-C)RT-PCR 和免疫荧光证实类器官表达多种腺细胞标志物(Atp4b、Muc5ac、Mist1 等)，验证细胞组成完整性;(D)Western blot 显示类器官在培养 3-10 天均表达 TLR4，为 LPS 响应奠定基础;(E-F)LPS 处理后，p65 磷酸化水平升高且发生核转位，证实 NF-κB 通路激活，类器官对 LPS 具有功能性响应。

图 2：LPS 对小鼠胃类器官结构完整性和细胞极性的影响

该图展示 LPS 的浓度依赖性结构损伤。(A)明场图像显示，高浓度 LPS(2-5 μg/mL)处理 4 天后，类器官出现管腔细胞聚集和塌陷，低浓度组无明显变化;(B-C)定量分析表明，各组类器官数量无显著差异，但 200 ng/mL LPS 组直径略大于对照组，提示轻度生长促进;(D-G)高浓度 LPS 显著增加塌陷类器官比例(5 μg/mL 组达 38.2%)，肌动蛋白染色显示细胞极性丧失(肌动蛋白 apical-to-basal 分布紊乱)，管腔内 DAPI + 细胞核聚集，证实去极化现象。

图 3：低浓度 LPS 促进胃类器官细胞增殖

该图验证低浓度 LPS 的增殖效应。(A-B)EdU 标记显示，200 ng/mL LPS 处理 4 天后，EdU + 细胞比例显著高于对照组，证实增殖增强;(C-E)传代后 2 天，LPS 组类器官球形恢复率更高(约 80%)，日均生长速率加快，提示损伤修复能力提升;(F)Western blot 显示低浓度 LPS 激活 MAPK 通路(ERK1/2 磷酸化水平升高);(G-J)GES-1 细胞实验验证，100 ng/mL LPS 可增加 EdU + 细胞比例和克隆形成数，佐证增殖促进作用。

图 4：高浓度 LPS 对炎症基因和腺体细胞基因表达的影响

该图揭示 LPS 的分子调控效应。(A)RT-qPCR 显示，2 μg/mL LPS 处理 6 小时后，促炎基因 Il1b、Il6、Tnf 分别上调 6.1、6.6、5.2 倍;(B-C)4 天处理后，干细胞标志物 Lgr5 上调 2.2 倍，而黏液细胞标志物(Muc5ac、Tff1)、壁细胞标志物 Atp4b 及内分泌细胞标志物 Sst 显著下调;(D)细胞连接基因(Cdh1、Ocln 等)表达降低，与细胞极性丧失表型一致。

全文总结

本研究成功构建了保留胃腺细胞组成的小鼠 3D 胃类器官模型，系统揭示了 LPS 对胃上皮细胞的浓度依赖性直接作用：低浓度 LPS(200 ng/mL)通过激活 MAPK 通路促进细胞增殖和损伤后修复，高浓度 LPS(2-5 μg/mL)则破坏细胞极性、诱导促炎基因表达，并下调腺体功能相关基因，模拟胃炎病理特征。该模型验证了 LPS 通过 TLR4/NF-κB 通路的直接效应，填补了传统模型难以解析上皮细胞自主性炎症响应的空白。

创新点在于首次在 3D 类器官中证实 LPS 的双向浓度效应，为区分 LPS 的直接与间接(免疫介导)损伤提供了工具。局限性包括依赖小鼠模型(与人类存在种属差异)、缺乏免疫细胞和长期慢性刺激研究。未来可结合人类胃类器官及免疫细胞共培养，进一步模拟体内炎症微环境，为胃炎精准治疗提供更贴近临床的筛选平台。