2.4.1　模拟消化道发育

如前文所述，PSCs来源的类器官的构建，本质上是一个模拟器官发育的过程，该过程以干细胞为起点，通过内胚层分化与器官发生，最终发育为不同类器官。因此，可以利用该过程模拟器官发育并探究其调控机制。首先是不同器官特化的调控机制。前肠除了能够发育成为消化道外，还能发育成为其他类型器官，如呼吸道类器官，这些发育方向受到精确严密的调控。研究发现，在构建多能干细胞来源的食管类器官时需要抑制TGF-β信号和BMP信号，BMP信号的额外激活能够转变其命运，使其向呼吸道类器官发育，表明BMP信号在呼吸道特化过程中具有重要作用［34］。Wnt信号和RA信号在前肠中具有明显的浓度梯度，沿前端向后端逐渐变强。在诱导前肠类球体向类器官分化的过程中，通过操纵Wnt和RA信号分子处理时间的长短来模拟体内信号的浓度梯度，能够达到分别向前端食管类器官和后端胃类器官进行分化的目的［63］。除了信号通路外，多能干细胞诱导类器官的过程还能用于探究转录因子在器官特化中的重要功能。通过使用多能干细胞模拟前肠发育轨迹，研究人员发现前肠特异性转录因子SOX2通过抑制Wnt信号来维持向食管方向的发育［9］。此外，由于类器官本身便于进行遗传操作，因此也能够直接用于探究转录因子的功能。例如在成体小肠类器官中敲除转录因子Cdx2，小肠类器官会转变为胃类器官，证明了Cdx2在小肠类器官命运维持中的重要作用［64］。类似地，如果在大肠类器官中敲除转录因子Satb2，大肠类器官会向小肠类器官转变［65］。不同类型消化道类器官的相互转变，也表明消化道类器官系统可以用于探究细胞的可塑性。

除了探究器官特化的调控机制，PSCs分化为类器官的过程还能用于探究器官发育成熟的调控机制。在体内食管的发育过程中，最初的单层上皮会发育成熟为复层鳞状上皮，这一变化也能够在多能干细胞诱导类器官的过程中重现［27］。通过转录组测序和染色验证，研究人员发现Notch信号在多能干细胞诱导的食管前体细胞和人胚胎食管上皮中高度富集，如果在诱导过程中加入DAPT（Notch信号抑制剂），食管类器官复层鳞状上皮的发育成熟会受到抑制，而这一现象同样在基因敲除小鼠模型中得到验证，均表明食管复层鳞状上皮的发育成熟受到Notch信号的调控［66］。与食管不同，胃在发育成熟过程中会划分为不同区域，包括前胃（小鼠）、胃体和胃窦，不同区域具备不同的分化细胞类型，发挥不同的生理功能［43］。在多能干细胞诱导分化为胃类器官的过程中，前肠后端类球体在EGF的刺激下，能够分化成熟为胃窦类器官［24］；如果额外添加Wnt信号激动剂和FGF10，则会向胃体类器官分化［67］，因此，该系统可以用于模拟胃的区域化并探究其下游调控机制。除此之外，该系统还能用于探究不同细胞类型的分化成熟过程。胃体中富含大量的壁细胞，负责分泌胃酸。在胃体类器官的分化过程中，BMP4和MEK信号抑制剂的联用能够显著促进壁细胞的分化成熟［24］，表明壁细胞的分化受到这两种信号通路的调控。与此类似，多能干细胞诱导小肠类器官的过程也伴随着各种分化细胞的出现与成熟［26］，因此，同样可作为探究小肠细胞分化调控机制的良好模型。(https://www.daowen.com)

消化道的发育涉及内胚层、中胚层和外胚层的协同作用，其中内胚层来源的上皮细胞、中胚层来源的间充质细胞以及外胚层来源的神经细胞不断地进行信号交流，以保证器官的正常发育［68，69］。如前所述，PSCs来源的类器官系统中，尽管有部分间充质细胞存在，但这些细胞占比较低，无法与体内的细胞比例相匹配，因此该系统本质上只涉及内胚层的发育过程。为了能在体外利用类器官系统模拟不同胚层间的相互作用，研究者将胚胎干细胞分别分化成为前肠类球体（即上皮细胞）、间充质细胞和神经细胞，然后将三者进行整合，最终发育成为的类器官具有三胚层结构，包括胃腺体，以及功能性平滑肌和神经元，将该类器官移植到小鼠体内，能够发育成为功能性组织，该系统也证明了神经细胞能够促进间充质细胞的发育及胃腺的形态发生［70］。同时，三胚层的整合方法也能用于食管类器官的培养，表明组织工程和类器官模型相结合的方法是模拟发育、探究下游调控机制的有力工具［70］。值得一提的是，该方法也能够用于探究肠神经发育和功能紊乱相关疾病，克服了目前没有相关疾病人类模型的缺陷，例如将神经细胞与肠类器官整合后，神经细胞能够发育成为神经元和胶质细胞，并表现出神经元活性［71］，这样就能够用于探究相关基因突变所引起疾病的细胞和分子机制。