炎症性肠病（IBD）影响着全球超过700万人，然而目前获批的药物几乎全部靶向免疫系统，只有20-30%的患者能实现黏膜愈合。肠道上皮屏障——这层仅有一层细胞厚的防线——是IBD病理的"起点与终点"，却长期缺乏可用的研究模型。患者来源肠道类器官（PDO）的出现，第一次让科学家能够在体外"重现"每个人的肠道屏障并测试其如何被破坏、又如何被修复。
一、IBD的"漏肠"之谜：屏障功能为何被忽视？
肠道上皮屏障由单层柱状上皮细胞通过紧密连接（tight junction）、黏附连接和桥粒相互"缝合"而成，同时有杯状细胞分泌的黏液层覆盖其上。在健康状态下，这层屏障精确地控制着水、电解质和营养物质的通过，同时阻挡肠道内数以万亿计的微生物和抗原。
在IBD中，屏障功能的崩溃是一个经典的"先有鸡还是先有蛋"问题。多项大型队列研究已证实：即使在临床缓解期，IBD患者的肠道屏障通透性仍然异常升高，紧密连接蛋白（如occludin、claudin家族）的表达持续下调。这意味着屏障功能障碍不仅是炎症的"后果"，更可能是驱动疾病复发的"导火索"。
然而，粘膜愈合（mucosal healing）作为IBD长期缓解的最佳预测指标，在当前治疗中仅有20-30%患者能够达到（Ojo et al., 2025）。一个关键瓶颈在于：过去研究肠道屏障的模型几乎都来自癌细胞系（如Caco-2）或动物。Caco-2细胞来自结肠腺癌，其分化后虽然可以形成类似肠道上皮的屏障，但基因表达谱和真实的人类肠道上皮相比有巨大差异；而小鼠模型则面临种间差异的固有局限。更重要的是——这些模型都无法反映每个IBD患者独特的遗传背景和疾病状态。
核心矛盾
现有IBD药物全部靶向免疫系统，肠道上皮屏障作为疾病始发和复发的关键节点，却几乎没有针对性的治疗手段。根本原因不是"不想"，而是"不能"——缺乏能准确模拟人类IBD上皮屏障的实验模型。
二、患者来源类器官：肠道疾病的"活体档案"
2009年，Sato等人首次从Lgr5+肠道干细胞中培养出了具有隐窝-绒毛结构的肠道类器官，开创了类器官时代。但真正让这项技术对IBD研究产生变革性影响的，是患者来源类器官（Patient-Derived Organoid, PDO）的建立——直接从IBD患者的内镜活检组织中分离肠道干细胞，在3D基质中培养出自组织、自更新的微型肠道。
Jelinsky等人（2022）与辉瑞（Pfizer）和HUB Organoids合作完成了一项里程碑式的研究：从16名IBD患者的39份活检组织中建立了PDO生物库（biobank），并系统地对其进行了分子和功能表征。这些活检来自炎症活动期、既往炎症区和非炎症区的结肠或回肠。
一个耐人寻味的发现是：来自活动性炎症区域的类器官建立成功率仅有38%，而来自既往炎症区或非炎症区域的成功率高达78%。这提示炎症微环境对肠道干细胞的长期损伤——即使在离体培养条件下，脱离了体内免疫微环境后，炎症区域来源的干细胞依然"带伤"。
Jelinsky et al. 2022, Figure 1
PDO在三种培养基中（CNM扩增 / eDM分化 / cDM分化）的转录组PCA分析。
顶部：对照供体PDO；底部：IBD患者PDO。
展示了PDO在体外培养条件下的高度转录组一致性。
三、从3D球体到功能屏障：如何让类器官"拉上拉链"
传统3D类器官有一个结构性的"死穴"：其内部是一个封闭的腔体，细胞顶侧（apical）朝向腔内，而非像真实肠道那样朝向肠腔。这意味着无法直接评估屏障功能——因为压根就没有"屏障"可以测。
Jelinsky团队的解决方案是将其转化为类器官来源的单层模型（organoid-derived monolayer）：将3D类器官消化成单细胞，铺在Transwell多孔膜上，让细胞在一个平面上生长并分化，形成与体内肠道上皮方向一致的极性单层——顶侧朝上、基底侧朝下。这样，科学家就可以在上腔和下腔之间测量跨上皮电阻（TEER），这是评估屏障完整性的"金标准"。
研究中的关键发现是培养基的选择。研究团队测试了三种培养基方案：
三种培养基方案对比
CNM（扩增培养基）
含Wnt3a，维持干细胞增殖。组织学特征：Ki67高表达、MUC2阴性。不形成功能屏障。
eDM（肠细胞分化）
去除Wnt3a，添加Wnt分泌抑制剂C59。富集肠细胞和杯状细胞标志物。
cDM（组合分化）—— 最佳方案
eDM + 多种分化因子组合。最佳的屏障功能形成，TEER持续稳定，同时保留最丰富的细胞多样性。
通过cDM分化方案，无论是结肠来源还是回肠来源的类器官单层，都能形成稳定的上皮屏障，TEER值随时间持续上升。转录组分析证实，分化后肠细胞（ALPI+）和杯状细胞（MUC2+）的标志物显著上调，而干细胞标志物（LGR5+）相应下调——完整再现了体内肠道上皮从增殖到分化的全过程。
Jelinsky et al. 2022, Figure 4
肠道单层上皮屏障损伤模型。
A-E: 对照PDO来源单层在IFN-γ、TNF-α、IL-1α单独或联合刺激下的TEER变化曲线。
展示了剂量依赖性和时间依赖性的屏障丢失。
四、炎症因子如何"撕开"肠道屏障：定量数据揭示的真相
要评价PDO模型是否真正"好用"，就必须看它能否忠实再现IBD的病理过程。Jelinsky团队用IBD中三个核心促炎因子——IFN-γ、TNF-α和IL-1α——系统地攻击了分化好的类器官单层屏障，用TEER、荧光分子通透性和细胞活力三个维度量化损伤。
三种炎症因子组合对屏障的破坏力对比
IFN-γ 单独作用
轻度 TEER 下降
仅在最高浓度（100 ng/mL）时有显著效应
IFN-γ + TNF-α 组合
EC₅₀ = 0.93 ng/mL
高浓度下5小时内完全丧失TEER
TNF-α + IL-1α 组合
EC₅₀ = 3.0 ng/mL
屏障损伤相对温和但持久
IFN-γ + TNF-α的组合是"最强破坏者"——仅需不到1 ng/mL就足以使TEER下降50%（EC₅₀=0.93 ng/mL），在高浓度（各约30 ng/mL）时5小时内完全消除屏障阻力。同时，大分子探针的通透性实验显示，不仅小分子Lucifer Yellow（457 Da）的通透性增加，4 kDa和40 kDa的右旋糖酐（dextran）也大量渗漏，表明屏障的破坏是全层性的——不只是离子通透性改变，而是物理结构的坍塌。
研究还发现，TNF-α是屏障破坏的主导驱动力，而IFN-γ是"放大器"。当研究者固定IFN-γ浓度、逐步增加TNF-α时，屏障破坏程度随TNF-α浓度线性加剧；反之，固定TNF-α、增加IFN-γ时，IFN-γ的增强效应主要体现在高浓度区间。这一发现与临床上抗TNF-α治疗（如英夫利西单抗）对黏膜愈合效果优于单独抑制其他因子的观察是一致的。
五、IBD患者的类器官屏障有何不同？
一个核心问题是：IBD患者的类器官是否比健康人的更"脆弱"？Jelinsky团队将来自溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）患者的PDO分化为单层屏障后，用与健康对照相同的方式评估。
结果是：IBD-PDO来源的单层在cDM分化后能够形成与对照供体相似的稳定TEER，但当用IFN-γ+TNF-α+IL-1α（各1 ng/mL）攻击时，其屏障的损伤程度和动力学模式与对照类似。这意味着：在相同的条件下，IBD类器官的分化能力和屏障形成潜力并不低于健康对照——但在体内炎症环境中，它们可能受到持续的攻击而无法维持。
这与Ojo等人（2025）的发现形成了有趣的呼应：活动期UC患者来源的结肠类器官在分化过程中表现出"代谢过度"（hypermetabolism）特征——包括线粒体质子漏增加、糖酵解能力升高和细胞内脂质积累。这说明IBD上皮细胞的"出厂缺陷"可能不在屏障形成能力本身，而在于能量代谢的持续异常，使其在压力下更容易"崩溃"。
Jelinsky et al. 2022, Figure 5
IBD患者来源PDO单层对托法替尼（tofacitinib）的屏障保护响应。
A-B: 对照供体结肠和回肠；C-D: 两位UC患者结肠来源单层；E: CD患者回肠来源单层。
托法替尼剂量依赖性地拯救了所有来源单层的细胞因子诱导TEER丢失。
六、代谢功能障碍：屏障修复的"隐形杀手"
如果说Jelinsky团队从"屏障被破坏到什么程度"的角度回答了IBD类器官的功能问题，那么Ojo等人（2025，Nature Communications）则从"为什么上皮细胞带着'先天缺陷'"的角度提供了新的视角。
该研究从内镜下活动期UC、非活动期UC和非IBD对照的儿童患者中建立了结肠类器官（colonoid）细胞系，并进行功能代谢分析。结果揭示活动期UC结肠类器官在分化过程中表现出三大代谢异常：
活动期UC类器官的三大代谢异常
1. 线粒体质子漏增加
呼吸链效率降低，ATP合成与氧消耗解耦联。
2. PPAR-α 通路高度激活
脂质代谢主调控因子及其转录靶基因显著上调。
3. 脂质过度积累
BODIPY染色显示中性脂质在细胞内异常堆积。
Ojo团队进一步用PPAR-α拮抗剂GW6471进行药理学干预，发现抑制PPAR-α可以显著减少脂质积累、诱导代谢向葡萄糖利用转变、抑制过度代谢状态，同时减少趋化因子分泌和细胞应激标志物。这一结果为开发"代谢导向"的IBD上皮保护疗法提供了概念验证——不是从外部抑制炎症，而是从内部修复上皮细胞自身的"能量工厂"。
Ojo et al. 2025, Figure 1
活动期UC结肠类器官在分化过程中的过度代谢和细胞应激。
A: 对照（C）和活动期UC（aUC）结肠类器官分化3天后的相差显微镜图像。
展示了aUC类器官在分化条件下的形态改变和代谢特征。
七、从实验台到临床：类器官药物筛选新范式
这两项研究共同指向一个令人振奋的方向：类器官屏障模型可以成为IBD药物开发的"高速公路"。
Jelinsky等人用已经上市的JAK抑制剂托法替尼（tofacitinib）做了概念验证：在对照供体来源的结肠单层中，托法替尼剂量依赖性地拯救了IFN-γ+TNF-α+IL-1α诱导的TEER丢失，24小时IC₅₀约为0.5 μM。更重要的是，在来自两位UC患者（结肠）和一位CD患者（回肠）的PDO单层中，托法替尼同样表现出一致的保护效果，IC₅₀值与健康对照接近。
这意味着：类器官屏障模型不仅可以用于筛选新药，还可以用于"个性化用药指导"——在给患者用药之前，先在体外测试其类器官对候选药物的反应，从而选择最有可能实现黏膜愈合的方案。
而Ojo团队的发现则打开了另一扇门：以PPAR-α为靶点的代谢干预可能成为一种全新的上皮保护策略。传统IBD药物（皮质类固醇、免疫抑制剂、生物制剂）的作用机制都是抑制免疫系统，而代谢干预直接靶向上皮细胞自身的功能修复——这可能为那70-80%对现有治疗黏膜愈合不充分的患者提供新的希望。
启示
1. 屏障功能检测正在成为类器官质控的新维度。过去评价类器官主要看形态和基因表达，Jelinsky团队的TEER+通透性+细胞活力"三合一"评价体系，为类器官药物筛选的标准化提供了可操作的框架。
2. "代谢-屏障"双靶点策略值得关注。Ojo团队的PPAR-α发现提示，上皮细胞自身的代谢健康状态决定了其在炎症攻击下的"韧性"。未来的IBD治疗可能需要同时关注"修复屏障"和"修复代谢"两个维度。
3. 类器官生物库+屏障功能检测 = 精准用药的闭环。Jelinsky团队从16名患者建立39个PDO系，为IBD精准医学提供了一个蓝图——建立大规模IBD类器官生物库，结合标准化屏障功能检测，实现"先测后治"。
Ren et al. 2025, Figure 1
肠道类器官构建流程示意图。
从Lgr5+肠道干细胞分离→Matrigel包埋→自组织形成隐窝-绒毛结构类器官。
展示了从组织到类器官的完整流程。
八、挑战与展望：路还很长，但方向已经清晰
尽管成果斐然，但目前的类器官屏障模型仍有明显短板：
① 缺乏免疫组分。目前的系统只含上皮细胞。要真正模拟IBD的"免疫-上皮"对话，需要共培养T细胞、巨噬细胞等免疫细胞，但活体免疫细胞在类器官培养体系中难以长期维持。
② 缺乏微生物组。肠道屏障每天都与数以万亿计的微生物互动。虽然已有类器官-细菌共培养系统的探索（如Chan et al., 2026），但在保持屏障完整性的同时维持有氧-厌氧菌群仍是技术难题。
③ 缺乏机械力环境。真实肠道上皮持续受到蠕动、食糜剪切力等机械刺激。器官芯片（organ-on-a-chip）系统正在尝试整合这些物理因素，但尚未普及。
④ 标准化仍然不足。不同实验室的基质（Matrigel批次差异）、培养基配方、分化时间点尚未统一，这影响了不同研究之间的可重复性和可比性。
尽管挑战重重，但正如Ren等人（2025）在综述中所强调的，肠道类器官在IBD研究中的应用已经从"能不能再现疾病特征"的阶段进入"如何在临床决策中使用"的新阶段。随着CRISPR基因编辑、微流控芯片和多组学分析的整合，类器官屏障模型有望成为IBD精准医学的"操作系统"。
结语
患者来源肠道类器官对IBD屏障功能损伤的模拟，不是简单地"在培养皿中复制了一个病"，而是为精准解析每个患者的屏障脆弱性提供了可能。Jelinsky团队证明，从结肠到回肠、从UC到CD、从炎症区到非炎症区——PDO都能形成功能屏障并响应药物治疗，这为类器官进入IBD药物开发流水线奠定了基础。
而Ojo团队的代谢研究则提醒我们：屏障不仅是"砖头"（紧密连接蛋白）的问题，更是"供电系统"（线粒体代谢）的问题。修复屏障不能只修补裂缝，还要确保细胞有足够的能量去维持这道防线。
对于那70-80%尚未从现有治疗中实现黏膜愈合的IBD患者来说，类器官屏障模型所带来的"先测后治"概念——在自己的类器官上测试哪种药物最能保护屏障——可能是最有希望的下一个突破。
参考文献
[1] Jelinsky SA, Derksen M, Bauman E, et al. Molecular and Functional Characterization of Human Intestinal Organoids and Monolayers for Modeling Epithelial Barrier. Inflammatory Bowel Diseases, 2023; 29(2): 195-206. DOI: 10.1093/ibd/izac212 | PMCID: PMC9890212
[2] Ojo BA, Zhu Y, Heo L, et al. Patient-derived colon epithelial organoids reveal lipid-related metabolic dysfunction in pediatric ulcerative colitis. Nature Communications, 2025; 16: 11026. DOI: 10.1038/s41467-025-65988-2 | IF ≈ 14.7 | PMCID: PMC12695892
[3] Ren J, et al. Intestinal organoids in inflammatory bowel disease: advances, applications, and future directions. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2025; 13: 1517121. DOI: 10.3389/fcell.2025.1517121 | PMCID: PMC12104276
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