文摘
哺乳动物肠上皮干细胞利基(IESC)是由不同的上皮细胞,免疫,一起和基质细胞腔内应对环境变化,发挥协调IESC行为的监管。越来越多的对肠道微生物群的作用在调节肠道增殖和分化,以及肠道生理的其他方面。在本文中,我们评估已知利基细胞的不同角色对肠道微生物群,支持IESCs。此外,我们讨论的潜在机制发挥他们的影响力有可能直接在IESCs利基细胞和可能。最后,我们提供了一个概述的好处和限制可用的工具来研究niche-microbe交互和关于它们的使用和标准化提供我们的建议。肠道宿主相互作用的研究是一个快速增长的领域,和宿主的IESC利基是活动控制养分吸收,内分泌信号,能量体内平衡,免疫反应和全身健康。
1。介绍
胃肠道(GI)束主站点的营养吸收和消化,毒素和病原体的障碍,体内最大的内分泌器官参与代谢体内平衡的维护。肠道上皮包括胃肠道最深处的单层细胞与肠道内腔直接接口,每2 - 3天更换一次在小鼠和人类(3 - 5天1- - - - - -3]。绒毛的单层是主办单位(预测到腔)和隐窝(内陷到板propria-connective组织和免疫细胞驻留在上皮细胞层;参见图1)。绒毛含有特殊分化的细胞类型,包括细胞吸收的血统(例如,肠上皮细胞)和分泌的血统(例如,enteroendocrine细胞和杯状细胞)(4]。这些细胞是由积极的快速更新增殖肠道上皮干细胞(IESCs)居住在地下室的功能定义的领域,包括上皮细胞Paneth以及附近nonepithelial细胞类型包括固有层和基质细胞的免疫细胞。自我更新和分化之间的微妙的平衡IESCs控制肠道上皮内稳态和再生,特别是在应对损伤,炎症,或改变微环境。的利基IESCs嵌入式帮助维持这个平衡。除了上面提到的细胞类型,微生物群居住在肠道内腔IESC利基的关键成员。
肠道是一个合适的高密度的居住环境的微生物(> 100万亿细菌、病毒、真菌、古生菌和原生生物)(5- - - - - -9]。这些居民微生物参与复杂的三角生态位涉及营养和宿主细胞(5- - - - - -7]。然而,重要的是要注意,细分市场,就像整个细胞组成,跨不同的解剖和非均匀functionally-distinct小肠的地区,包括十二指肠、空肠、回肠、盲肠和结肠。这些不同肠段表现出不同微生物密度和成分和受到不同的营养和环境因素8,9]。加上邻近的宿主细胞,影响微生物群细分功能,从而调节IESC行为不同在小肠的长度(10]。因此,它是重要的微生物组成,考虑地区差异可能导致不同的功能研究IESC利基。在下面,我们将概述的主要细胞类型IESC利基,然后详细描述已知的贡献居民微生物群。
2。肠上皮干细胞的细胞类型
2.1。肠上皮干细胞
肠道隐窝IESCs驻留港口一些IESCs-derived细胞群,包括的祖细胞,enteroendocrine细胞(电),Paneth细胞(3,11]。在正常情况下,IESCs主要分为对称(12,13]。一定的压力环境可以触发不对称分裂为了防止hyperabundance IESCs [14]。IESCs产生的祖细胞分裂非常快(大约每12小时),占三分之二的隐窝的底部。他们逐渐分化成各种专门的肠上皮细胞(例如,肠上皮细胞),通常迁移crypt-villus轴(12]。一旦这些分化细胞达到顶点的绒毛,他们接受女性(程序性细胞死亡的一种形式,从细胞外基质细胞分离),并释放到腔的肠15,16]。Paneth细胞和电代表例外模式”的一个子集,这些细胞可以迁移向下向底座的地穴IESCs驻留的地方,形成一个IESC利基的一部分。Paneth细胞也有增加寿命相对于其他分化细胞谱系,估计要大于女性经历(前3 - 4周17,18]。虽然有冲突的报道,某些类型的enteroendocrine细胞也可能存活的时间比吸收肠上皮细胞(19,20.]。
隐窝大小、增殖指数和增殖细胞地穴内变量的分布在肠道(见图2,(8])。这种类型的区域变化并不少见其他器官系统与成人多能干细胞(21- - - - - -23]。小肠的积极自行车IESCs位于地下室基础和标记等多个基因的高表达Lgr5就,Olfm4,Ascl2,以及低的表达Sox9(24]。慢骑自行车或储备IESCs的高表达Bmi1,叔,Hopx,Lrig1,Sox9。然而,这些标记是不特定的,他们中的一些人也在积极发现自行车IESCs(例如,Lrig1EECs)或(如Sox9,(25])。特别引人入胜的是观察,一些分泌和吸收祖细胞表现出塑性;,可能回复到IESCs针对损伤(26- - - - - -29日),这表明储备干细胞群定义是广泛的,低于一定的分化IEC人口(也看到评论[30.,31日])。最近的单细胞转录组的研究表明,有异质性甚至在Lgr5就+积极自行车IESCs [32]。这种分子异质性也发生在早期研究比较CD24的人群罗和side-population IESCs [33),以及最近RNA-seq-based比较IESC种群隔离的不同方法(34]。
染色质状态,和许多转录因子和信号级联,调节IESC具备干细胞。IESC在地下室的位置是一个主要的决定因素的自我更新能力,在一定程度上由Wnt和Delta-Notch信号12,35]。转录因子,如Klf5 Gata4、Gata6 Ascl2,和Yy1控制肠道干细胞的命运,和他们的缺乏导致破坏肠道架构(14,36]。最近,小分子核糖核酸也成为利基和响应环境刺激的主要监管机构在IESCs [37,38]。例如,mir - 375在小鼠IESCs高度敏感的微生物的存在,并在体外小鼠肠状的文化功能丧失的研究表明,它可能是一个著名的调节器肠上皮细胞增殖的38]。IESCs进一步详细审查,我们引用最近的读者评论文章(39]。
2.2。Paneth细胞
Paneth细胞的小肠上皮细胞之间和周围IESCs和参与塑造地下墓穴内微环境和调节微生物的相互作用通过分泌抗菌肽(40]。他们存在在整个小肠道,他们沿着proximal-distal轴数量增加。不像绒毛上皮细胞,取代每3 - 5天,Paneth隐窝细胞的寿命大约是30天(40]。作为他们的角色在利基的一部分,他们也释放生长因子,直接影响邻近IESCs [40利基市场,巩固他们的角色。在环境压力下,采取行动保护和刺激IESCs Paneth细胞。例如,热量限制的条件下,细胞腔的循环二磷酸腺苷(由来自Paneth细胞诱导IESC。然而,有趣的是,消融Paneth细胞在活的有机体内似乎并不影响IESC增殖和分化(41)或肠道内微生物的分布(17),可能由于其他利基细胞代偿反应(41]。失去Paneth细胞已被证明妥协肠道上皮细胞的屏障完整性(42]。最近的研究工作表明,大肠也港Paneth细胞样的深隐窝细胞分泌(DCS) (43]。但是还需要更多的工作来评估这些细胞进一步确定他们在多大程度上导致结肠IESC利基函数(43]。Paneth细胞进一步详细描述,我们读者参考以下评论44,45]。
2.3。Enteroendocrine细胞
偶尔Enteroendocrine细胞(电)是位于地下室,扮演着至关重要的角色在肠道生理和可能导致IESC利基微环境(46,47]。EECs虽然占不到1%的肠上皮细胞,他们有一个重要的功能在传感腔的环境(营养、胆汁酸、微生物等)和分泌激素,包括Glp-1 Cck,肽yy, Gip,饥饿激素,神经降压素,为了协调系统能源管理48,49]。有许多EECs不同亚型的基于他们最容易表达和分泌的荷尔蒙。例如,我细胞和K细胞是欧共体亚型,主要居住在近端小肠,但分泌激素CCK和GIP,分别有不同的内分泌的影响(50,51]。EECs的丰度和类型在胃肠道不同;一些欧共体亚型发现整个小和大肠(例如,N细胞:EECs neurotensin-secreting),而另一些被发现主要在小肠(如K细胞,细胞,细胞:抑胃肽、缩胆囊素,和EECs serotonin-secreting resp。) (50]。在直肠电也丰富,他们被发现在胃肠道中的最高频率以外的近端小肠(52- - - - - -54]。建议EECs地下室,或者可能分泌祖细胞一般来说,可能由一个储备池IESCs积极增殖反应肠道损伤(25,49,55,56]。维护他们的贡献IESC功能仍然没有得到很好的特点;然而,众所周知,某些EEC-secreted肽,如Glp-2,可以作为旁分泌信号分子促进肠上皮增生(57]。电也被证明对microbe-derived肽,因此可以作为管道IESC利基(信号机制58]。例如,最近显示结肠暴露在蛋白大肠杆菌刺激Pyy组glp - 1在大鼠(释放电59]。还有许多工作有待完成为了更严格地定义的功能重要性EECs地穴IESC利基。
2.4。基质细胞
在成人肠上皮细胞周围的基质细胞的间叶细胞谱系。通过几个因素调节这些细胞促进细胞间串扰IESC增殖和分化,因此被认为是不可或缺的方面IESC利基。牙龈间充质基质细胞产生骨形成蛋白(bmp), TGF -的成员β总科,对抗Wnt信号沿着crypt-villus轴,从而抑制IESC扩张,促进上皮细胞分化[60]。其他间充质细胞包括myofibroblasts分泌骨形态发生蛋白抑制剂,促进Wnt-mediated IESC自我更新(61年]。最近,青木等人开创性的研究和Kaestner和他的同事描述了一个小的人口Foxl1表达间充质细胞信封隐窝和绒毛的肠上皮细胞,产生大量的生长因子包括Wnt和Bmp的家人支持IESCs [62年]。消融这些细胞,但不像Paneth其它利基细胞细胞,导致严重损害墓穴扩散。这些数据表明,Foxl1+间充质细胞的人口构成的一个重要组成部分IESC利基(35]。总之,整个组牙龈基质细胞介导的一个复杂的信号网络,保持平衡自我更新和分化IESC沿着crypt-villus轴。综合特征的间充质细胞的功能多样性和他们的角色在利基市场仍然是一个活跃和重要的研究领域。
巨噬细胞是至关重要的哨兵的健康的肠道固有层所需的维护肠道内稳态的微生物群和食物抗原(63年]。上皮簇细胞和杯状细胞调节免疫反应微生物和microbial-derived肽分泌趋化因子这些肠巨噬细胞容易反应(64年- - - - - -68年]。在啮齿动物和人类,肠巨噬细胞中多比大肠小肠。人们逐渐认识到,巨噬细胞,除了为先天免疫功能,可以调节肠道干细胞的功能。最近,萨哈等人发现放射性肠损伤的改善是提高干细胞增殖功能刺激部分macrophage-secreted Wnt因素(69年]。
2.5。肠神经系统
肠神经系统(ENS)起着至关重要的作用在许多方面的胃肠道功能,包括策划所需蠕动和分泌液体食物消化和营养吸收和保持一个健康的细胞腔的微生物。同时,人们已经发现,存在可以影响IESC函数。例如,朗格等人表明,修改粘膜传入神经功能调节IESC扩散(70年]。鉴于肠神经细胞与无性生殖相关的神经元同步行动,效果可能跨多个隐窝(大致翻译71年]。此外,除了他们的神经支持角色,神经胶质细胞的存在也导致肠道上皮增殖和修复损伤后通过proepidermal生长因子的分泌(pro-EGF) [72年,73年]。
不同细胞类型的详细评论在IESC利基,看到11,74年,75年]。
3所示。的肠道微生物群作用干细胞利基
维持肠道内稳态和适当的功能,IESCs必须直接或间接回应顶端腔的基底和abluminal因素,尤其是肠道微生物群和膳食组件。IESC利基细胞进化的机制来管理一个不断变化的腔的微环境。选民的肠道菌群与他们的产品是具有高潜在的有力监管机构IESC活动由于其靠近肠道上皮细胞,以及他们的深刻影响宿主营养、代谢,粘膜屏障的完整性。
3.1。有针对性的肠道微生物群作用的控制肠道上皮细胞更新
数十年的研究在小鼠模型上显示,细胞腔的细菌可以塑造各种肠道不同区域和细胞的形态和功能特征的亚种。最古老的观测是在1960年代通过研究无菌(GF)和antibiotic-treated小鼠和大鼠。指出,这些啮齿动物表现出减少绒毛高度和隐窝深度在空肠和回肠,增加十二指肠绒毛高度和隐窝深度降低,减少粘膜表面面积,降低了有丝分裂指数,降低固有层体积,transepithelial迁移速度比常规提高(CR)动物76年- - - - - -84年]。这些研究结果提示一个或多个几个可能性。例如,短隐窝可以表明减少扩散,和/或增加/过早分化,和/或祖细胞凋亡。随后的后续研究评估这些可能性,揭示了特定于上下文的殖民对肠道生理的影响。目前最先进的后续研究包括全转录组分析(包括聚合和单细胞)和荧光免疫组织化学标记的活跃的增殖和细胞凋亡。例如,我们最近证明,与有丝分裂细胞周期相关基因通路在空肠的转录调节干细胞的细胞群丰富约定俗成的动物相对于女朋友动物(38]。玉等人还演示了增加回肠隐窝扩散ex-germfree老鼠反应殖民的微生物群健康婴儿相对于殖民与微生物群从较低的婴儿体重增加85年]。GF啮齿动物的研究中被暴露于共生的微生物,提高结肠上皮增殖和深化大型肠隐窝观察(86年,87年]。虽然这种效应在其他小肠地区,很明显的大小微生物对上皮形态是有针对性的影响88年,89年]。从CR小鼠十二指肠和空肠肠上皮细胞显示略有增加扩散相对于回肠,尽管十二指肠和空肠导管细菌负荷远低于回肠内腔中(90年]。的潜在优势微生物组成总细菌数在肠上皮细胞增殖的控制是通过观察暴露于特定细菌物种如乳房含牛奶提取益生菌菌株这种乳酸菌DSM 17938诱导肠上皮增殖而其他菌株这种l .PTA 6475不91年]。病毒也可能导致整体肠道上皮细胞形态学和生理学。例如,某些病毒的小鼠诺瓦克病毒可以调节先天免疫和调节肠上皮细胞上的一些负面影响的葡聚糖硫酸钠和某些抗生素治疗92年]。
3.2。机制对IESCs微生物的影响
尽管很明显,细胞腔的微生物的存在与iec结构和功能变化,往往很难确定微生物或诱导的实验性治疗微生物变化负责这些影响。修改的饮食和抗生素治疗历史上曾改变肠道微生物群为了研究宿主的影响。然而,识别准确,有可能多个机制微生物群影响IESCs证明挑战特别是区域特异性和微生物的多样性及其派生的代谢物。监管的IESCs微生物群可能通过直接或间接方式发生,和理解niche-microbe交互机制具有治疗意义。分泌的因素刺激Wnt /β连环蛋白信号通路的主要手段是IESCs利基提供支持。例如,从辐射损伤后,间充质干细胞激活Wnt /βLgr5就连环蛋白信号通路和支持+干细胞生长促进再生(93年]。同样,如上所述,萨哈等人表明,巨噬细胞分泌Wnt因素液再生期间支持肠道干细胞利基,并保护其免受辐射损伤(69年]。然而,这些和其他利基细胞行为的程度变化而在受伤后的肠道微生物群在体内平衡或尚未完全阐明。
3.2.1之上。直接影响的潜在机制
肠道干细胞利基被描述为被保持在完全无菌的条件下在没有受伤的94年- - - - - -96年]。然而,细菌驻留在肠道粘膜,事实上在健康的肠道隐窝,都被记录在案,这就带来了一种可能,直接调控肠道干细胞生理的肠道微生物群。最早的微生物群的可视化与肠道上皮细胞直接接触是在1970年代使用扫描电子显微镜对小鼠肠。这些研究表明微生物附着在开口的隐窝Lieberkuhn通过长带子丝(97年- - - - - -One hundred.,没有完全分开的上皮黏液层。然而,直到最近,微生物是可视化深处隐窝(101年,102年]。主要挑战之一确定这些crypt-based微生物来源于使用常见的洗涤和固定方法溶解或干扰微生物生物膜和host-mucins [98年,103年]。使用保存生物膜固定方法,如无水Carnoy的固定剂,加上极为谨慎切片技术,进一步完善了可视化的微生物在肠道隐窝(5,95年,99年,101年,102年]。目前的研究表明,微生物crypt-based发现主要在结肠和盲肠,这是符合整个肠道内微生物密度梯度(5,101年,102年]。细菌物种在墓穴内,根据16 s测序鉴定,和荧光原位杂交(鱼)的小鼠结肠隐窝,表明细菌的有氧代谢能力的优势,包括物种不动杆菌和变形菌门(5]。这一发现很有趣因为小肠也丰富的植物需氧菌(104年,105年]。胃肠道感染后,已发现某些致病微生物更频繁地占领地穴利基,甚至在上消化道,有人建议,殖民的隐窝可能促进致病性长寿导致慢性感染,是见过的幽门螺杆菌在胃里(106年]。另一方面,居住的存在幽门螺旋杆菌在胃隐窝也防止继发感染,一种殖民抵抗,“这可能是对主人的健康有益。
少研究微生物群的可能性可能会刺激IESCs直接通过外膜囊泡的释放(omv)。鉴于IESCs占用macrophage-derived液(69年),就像在肠上皮细胞,有可能IESCs也占用外膜囊泡(omv)由革兰氏阴性细菌本地化绒毛或隐窝内的底部107年- - - - - -109年]。omv相似大小的液,是通过类似的途径,如通过窖蛋白或脂质raft-mediated内吞作用[110年]。omv可能携带细菌派生和分子活性肽,毒力因素,小rna和DNA,可以修改IESC基因表达模式。omv的IESCs尚未正式评估,尽管omv的其他肠道上皮细胞已经证明(111年]。这可能表明多个可能性,微生物直接监管IESC基因表达和细胞的行为。
3.2.2。间接影响的潜在机制
居民微生物群,作为与人类共生关系的一部分,代谢和发酵的食物在肠道内腔。副产品和从这些过程可以吸收或代谢产物作为受体配体由主机和其他肠道内的微生物。一些最广泛研究的微生物代谢产物包括短链脂肪酸(SCFAs),生产主要在结肠发酵的膳食纤维。Kaiko等人发现,短链脂肪酸丁酸盐抑制结肠干细胞增殖(112年),可能通过受体编码Ffar3,Ffar2,Niacr1(113年]。Ffar2强劲表现在小鼠空肠的IESCs和表达下调在惯例化38]。重要的是,肠上皮细胞代谢的入口处丁酸的结肠隐窝是一个重要的调制器SCFA剂量收到IESCs,表明某些肠上皮细胞可能支持利基(114年]。然而,考虑到微量的SCFAs小肠,这可能不是一个著名的通路调节小肠IESC利基。在这个屏幕Kaiko et al .,烟酸或烟酸对结肠干细胞被发现的前导作用[112年]。烟酸摄入或biosynthesized的肠道微生物群(115年),因此可能调节小肠IESCs强有力的候选人。进一步研究小肠代谢产物,调节IESCs是十分必要的。
微生物刺激non-IESC利基可能导致细胞的分泌信号肽,反过来影响IESC生理机能。例如,Paneth小肠细胞(也可能是结肠的DCS细胞)形成一个主要组件的IESC利基。它们分泌的抗菌肽和生长因子包括溶菌酶,α-defensins, WNT、EGF和切口邻近的干细胞,当离开宿主特异表达更容易感染和其他生理异常(见评论(40,116年- - - - - -118年])。TLR Paneth细胞活化与defensins进入墓穴的脱粒和分泌119年- - - - - -122年),从而调节利基微环境。然而,尚不清楚Paneth细胞的精确影响脱粒IESC生理学。
其他小细胞可能会提供更多的信息,虽然在某些情况下,他们的行为在IESCs可能是相互依存的。利基细胞应对各种微生物信号(例如,通过toll样受体)和代谢物(如SCFA),导致下游的刺激可能会改变IESC生理学。等电L-cells位于crypt-villus轴,释放Pyy组Glp-1针对微生物刺激(119年]。肽yy反过来刺激肠道上皮细胞增殖和分化在活的有机体内和在体外(123年,124年]。电驻留在利基的控制也可能有助于IESC行为作为中间体在多细胞信号通路由居民微生物。近来发现簇细胞反应部分寄生虫和单独通过分泌IL-25 [125年]。IL-25诱发先天淋巴细胞分泌IESC刺激因子IL-13 [67年),导致增加高脚杯和簇细胞分化[65年]。IL-33表达肠道微生物的基质细胞提供了另一种可能的机制可能调节IESCs,一些微生物,包括寄生虫和其他寄生虫,引起IL-33释放淋巴细胞(126年]。例如,它最近表明TNF -α- - - il - 1β刺激IL-33释放pericryptal成纤维细胞作为回应鼠伤寒沙门氏菌IESCs感染促进分泌细胞分化[127年]。IL-33来源不限于这些成纤维细胞;上皮细胞也表达IL-33从而进一步调节IESC分化。
最后,microbiota-derived neurostimulatory肽,包括谷氨酸,血清素,和GABA,以及营养素如葡萄糖和脂肪酸,可以作为神经递质刺激肠神经系统,进而可以调节IESC函数(参见马佐里评论和Pessione [58]和Neunlist Schemann [128年])。
4所示。工具来研究微生物群交互IESC利基
许多问题仍然存在对微生物群可能如何影响IESC利基。在过去的几十年中,实验模型已经开发出来,跨度在体外、体外在活的有机体内方法(表1)。在这里,我们联系最近开发的以及最广泛使用的工具为研究IESC-microbe交互。
4.1。在体外模型来研究肠道宿主交互
的一个最直接的和广泛使用在体外细胞培养模型研究宿主交互coculture系统。通常情况下,一个肠上皮细胞系(如Caco-2, HIECs, T84, IEC6,和HT29s)将播种单层,transwells,或支架上设备。细菌或细菌上层清液,或其他微生物,可以添加到文化室直接通过某种类型的细胞或分离膜或障碍129年- - - - - -131年]。代谢、分子和生理化验才能进行之后的几小时或几天。这些coculture实验是可伸缩的,高度可再生的,和简单的进行在大多数实验室细胞培养设备与标准。额外的细胞类型,如primary-derived巨噬细胞或PBMCs [132年- - - - - -134年),可以包含在coculture。尽管执行这些coculture实验的缓解,但他们港口限制模仿在活的有机体内生理条件。为了解决这个限制,研究人员最近开发出有趣在体外coculture微流控、脚手架和三维(3 d)系统(135年- - - - - -138年]。例如,陈等人开发了一个管文化系统coculture enterocyte-like Caco-2细胞,球形的HT29-MTX细胞,H-InMyoFibs myofibroblast细胞系。管结构允许研究人员通过媒体和细菌细胞,同时模仿的氧气和养分梯度在活的有机体内在肠道内(137年]。尽管如此,许多使用的细胞系的转换,因此可能并不总是忠实地代表的主要细胞。此外,不存在任何已知的细胞系对某些肠道细胞类型如Paneth细胞(45]。
4.2。体外模型研究肠道宿主交互
最近,研究人员已经使用体外三维(3 d)主要肠状的和肠道瀑样模型来评估epithelial-microbe互动(38,93年,139年- - - - - -141年]。肠道组织是孤立和单个细胞,隐窝,或整个粘膜提取和生长在一个collagen-rich矩阵,如人工基底膜。肠状的群众和瀑样将成长为大型3 d包含所有成熟的细胞类型的孤立的组织,更准确地模仿在活的有机体内生理学相比在体外模型(142年]。肠状的指文化仅由肠上皮组织组成,而瀑样导出包含多种组织类型,如上皮细胞、肠神经,myofibroblasts,平滑肌细胞(143年]。肠状的文化可以通过无限期使他们一个可行的替代永生化细胞系。值得注意的是,这些结构也可以推导出使用诱导多能干细胞(iPSC细胞)(144年,145年]。因为肠状的将形成密封腔”,绒毛形成内部和隐窝突出外,微生物应该microinjected到流明评估宿主相互作用(见[146年,147年]审查)。显微镜下注射肠状的和瀑样可能是一个挑战。此外,这些结构的倾向,偶尔爆发,然后重新封装可以禁止注入微生物的长期研究。然而,我们最近证明IESCs生长在肠状的文化可以使用gymnosis击倒基因和转基因微rna表达(38]。最近,单层版本的体外肠状的文化系统出现,扩大分析的数量可以被执行,包括补丁夹子和实时成像研究[134年,148年]。少广泛使用的是体外黏膜外植体和切片模型,,如瀑样,包含一个完整的肠细胞类型(149年,150年),像coculture系统可以被添加微生物培养基(见审查(151年])。然而,即使有高的氧化,小肠移植组织没有培养成功超过48小时,等不易多路复用一些肠状的系统(152年],严重限制其效用(149年,153年]。尽管使用这些文化系统的优点,旨在评估影响的实验结果IESCs可以驳倒的成熟,分化肠道细胞类型。某些小分子可能协助IESCs丰富,例如,丙戊酸和CHIR99021 [154年),这可能有助于澄清IESCs微生物的直接影响。
4.3。在活的有机体内模型来研究肠道宿主交互
最后,有很多在活的有机体内方法来研究微生物群的影响在肠道干细胞利基。这些模型通常分为两类:介绍基于或depletion-based。在引入模型中,一个女朋友动物暴露于微生物的过程称为“殖民。“损耗模型另一方面旨在消除微生物群从CR动物暴露在广谱抗生素。有时候,研究人员可能结合方法和引入微生物群后损耗(175年- - - - - -177年]。有两种方法优点和局限性。
虽然女朋友的系统性和肠道生理老鼠是典型,这些动物为研究人员提供一个“空白”来评估单一菌株的影响,定义组微生物,或未定义的微生物群干细胞利基。然而,随着人类从未在GF饲养条件下,女朋友的临床效用模型经常被质疑(178年]。然而,GF动物提供一个宝贵的资源。尝试生成GF动物在20世纪初开始使用鸡和几内亚猪[179年,180年]。然而,代女朋友动物没有描述20世纪直到很久以后(见[180年,181年]审查)。目前,GF动物获得通过无菌剖腹产手术或胚胎移植手术,然后在无菌条件下保持专业隔离室。食物,水,和床上用品必须消毒之前被介绍给动物粪便物以及笼环境定期检查确认没有微生物无意中被引入。在女朋友动物生存,事实上可能比CR长寿动物182年),他们不正常的发育,改变了行为,新陈代谢,消化和免疫系统功能180年]。殖民的女朋友动物与微生物引发一个健壮的免疫反应,这需要几个星期正常化状态更类似于CR的动物(166年- - - - - -168年,183年]。惯例化的动态过程是一个重要的考虑作为动物年龄、殖民的长度,和动物的饮食导致微生物群落结构和免疫反应。此外,殖民动态展示大量的区域特异性。时间和地区GF鼠标惯例化动力学检查,尤其是在一系列的论文之后埃尔和他的同事们(166年- - - - - -168年,184年]。从这些研究和其他人,我们知道某些发展过程有一个有限的时间中微生物殖民GF动物可能恢复表型相似性,特别是在免疫系统,与CR动物(见评论(185年])。时间和区域变化也很强劲,基因参与先天免疫是最不同的前几天后殖民和稳定2到3周postcolonization [167年,186年,187年]。地区,免疫细胞招聘更迅速地发生在小肠结肠相比在postcolonization [167年),这有可能影响利基的回应。许多研究已经进行了殖民在不同年龄和不同长度的时候,使cross-study比较具有挑战性。此外,住房条件的差异,床上用品材料,nonsterilized食物可以引入变量,进一步混淆cross-study比较。的评价在活的有机体内特定微生物的影响可以通过使用女朋友的动物。然而,由于微生物显著影响免疫早期发育等生理功能,一些无菌的实验的结果不能反映发生在动物,自出生以来暴露于微生物(188年]。尽管有这些限制,GF模型已成功地用于评估IESCs微生物群的影响,包括许多研究采用激光捕获显微解剖(LCM) [42,85年,172年,189年,190年)分离和测试微生物群在利基市场的影响。例如,使用LCM, Yu et al。(85年)评估的影响微生物群隐窝细胞基因表达后殖民GF动物与微生物群的新生儿患者样本的收集。其他显示特定抗生素和殖民对基因表达的影响在肠道隐窝172年]。LCM的肠上皮隐窝包括几个细胞谱系,虽然可以丰富为IESCs基因消耗Paneth细胞(190年]。然而,这种方法是劳动密集型的,不会导致高收益率的RNA。作为替代模块方法,我们得到女朋友Sox9-EGFP记者老鼠,它允许使用fluorescent-activated隔离IESCs和祖细胞细胞排序(流式细胞仪),允许细胞类型特异的微生物群的影响(更精确的分析38]。
损耗的细菌在CR动物使用广谱抗生素是另一种方法为研究微生物群在干细胞领域的影响。这种depletion-based方法的主要优点是大大更便宜,更快的进行。然而,有几个局限性。值得注意的是,它已经表明,抗生素治疗,无论微生物消耗,可以修改宿主基因表达和导致改变肠道上皮细胞,尤其是地穴内舱(172年]。此外,完全消除使用抗生素微生物群是不可能的169年,191年),特别是最广谱抗生素专门针对细菌,让肠道真菌和病毒蓬勃发展。然而,抗生素治疗仍然是一种广泛使用的模型来研究微生物对宿主的影响。两者的结合很可能引入和损耗模型可以帮助评估完全微生物的影响因素对利基(192年]。
另一个策略,绕过了无菌的手术和抗生素模型创建孤立的肠段,如Thiry-Vella瘘管,确定自动微生物变化对肠道功能的影响没有实验修改的腔193年]。然而,这在活的有机体内模型消除了普通腔的流,当然不能正确反映正常生理机能。尽管所有的调查方法固有的局限性,已经学到很多关于机制介导微生物对宿主肠道上皮细胞结构和功能的影响。
5。结论和讨论
IESC利基构成复杂的细胞网络扩大超出了帮助管理之间的平衡的上皮细胞层IESC自我更新和分化。哺乳动物IESC由上皮细胞包括IESCs Paneth细胞,和电,以及nonepithelial组件包括基质、神经和免疫细胞类型。同样明显的是,肠道微生物群有显著影响肠上皮干细胞生理和功能。然而,潜在机制仍知之甚少,仍在积极调查。的一个主要挑战是隔离功能不同的细胞亚群和小细胞小肠以及难以确定个人的具体影响微生物代谢物和其他microbe-derived产品。几个在体外、体外在活的有机体内工具可用于调查主机和肠道内的微生物之间的关系,和研究社区在过去十年里取得了巨大的进步。然而,几个关键问题仍然存在,最值得注意的是以下几点:(1)IESCs应对直接从肠道微生物群信号吗?(2)小细胞必不可少的适当的微生物控制IESCs ?(3)对肠道微生物群IESCs提供反馈吗?(4)微生物的利基有助于选择驻留在隐窝,如果有独特的功能调节IESC crypt-based微生物的行为?(5)宿主交互是如何改变饮食、年龄、疾病、或在胃肠道解剖位置?这些问题的答案将大大促进我们理解宿主的作用沟通在正常肠道生理和在推动胃肠疾病。
随着我们继续解决这些及相关重要问题,前进,我们认为必须采取特别注意规范有关在体外、体外在活的有机体内实验中为了方便cross-study比较。例如,在条款的在活的有机体内研究,鉴于我们所知道的区域特异性和可变性,我们认为重要的是尽可能报告测量三大小肠段以及结肠。啮齿动物摄取床上用品材料,相当的纤维来源,研究利用动物模型应包括细节层材料,整个研究过程使用的饮食,住房条件(单与cohoused,打开和关闭通风,光/暗周期),(和时间)殖民的时代,和源成分,和处理的微生物群用于殖民,所有这些以前被证明影响微生物组成。
益生菌的开发或改造的细菌,以及基于小分子核糖核酸分子策略等,代表了调节肠道微生物组的令人激动的可能性和IESC干细胞利基,从而改变肠道的生理基础。这样的努力可以长期提供有利于各种胃肠疾病患者。最近有许多工具和技术的进步为探索直接和间接微生物和宿主之间的相互作用IESCs,我们预计未来十年在这一领域取得较大的进展。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
提供的资金是慷慨1-16-ACE-47 (Praveen Sethupathy通过美国糖尿病协会)。作者要感谢杰森·斯彭斯密歇根大学的博士,博士Ilana布里托的康奈尔大学和杜克大学的约翰·罗尔斯博士对他们宝贵的意见和建议在这个手稿。此外,作者感谢苏珊博士亨宁北卡罗莱纳大学的非正式讨论关于哺乳动物肠上皮干细胞利基。