眼见为实：华科郭峥团队通过3D打印揭示肠道细胞动态分化

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作者：生物世界

果蝇的消化道与哺乳动物有着非常类似的结构，在过去的几十年里，成体果蝇的中肠（midgut）被大量应用于人类肠道疾病的研究当中。比如，和哺乳动物相同是，果蝇中肠上皮结构的维持也依赖于肠道干细胞（ISC）的分裂和分化，ISC细胞负责肠道上皮层的更新和修复。但与哺乳动物小肠相比，果蝇中肠的细胞组成却又相对简单，主要包含ISC细胞，内分泌细胞（EE），上皮细胞前体细胞（EB）以及上皮细胞（EC）。

为了研究干细胞及其子代细胞，目前常见的方法是利用固定后的组织进行谱系追踪。但是，我们很难在经过固定处理的肠道样本中，研究干细胞增殖的速率，子代细胞产生的先后顺序，以及子代细胞分化的动态过程等问题。现有的活体成像手段，也无法实现长期追踪单个肠道干细胞的分裂和分化。

2021年10月25日，华中科技大学同济基础医学院郭峥教授团队，在 Communications Biology期刊上发表了题为：Intravital imaging strategy FlyVAB reveals the dependence of Drosophila enteroblast differentiation on the local physiology 的研究论文。

郭峥教授团队的博士后研究员汤睿智博士，利用3D打印技术开发了一种名为FlyVAB的装置，可以对果蝇肠道进行长达10天的活体成像。首次活体观察到了肠道干细胞制造上皮细胞的完整过程，并发现了在不同生理条件下肠道上皮细胞前体细胞（EB）细胞的两种分化状态。

FlyVAB装置包含三个部分：1）果蝇挤压系统，通过适度挤压果蝇腹部，让肠道贴近盖玻片。选择透明质酸溶液为透明化介质，添加在果蝇腹部和盖玻片之间；2）果蝇麻醉系统，用于输送CO2来麻醉果蝇，辅助稳定成像效果；3）载物台连接系统，用于将P1和P2在显微镜载物台上。结合倒置激光共聚焦显微镜或者倒置荧光显微镜，可以清晰得观察到果蝇中肠后端（posteriormidgut），荧光标记的ISC细胞，EB细胞以及EC细胞。

FlyVAB装置简易示意图及成像效果

研究人员对出生7天的果蝇追踪了109h，拍照间隔大约为12h。基于5个EE细胞所构成的图形，成功在8个时间点中都追踪到同一段肠道，并对其中一个ISC细胞的分裂和分化进行了分析。

在最初的14h中，ISC细胞进行了一次细胞分裂，形成一个ISC细胞和一个EB细胞。EB中的Notch信号，在EB形成初期的51个小时（14h-71h）中缓慢增强，却在后续的15个小时（71h-86h）快速增强。

EB细胞在第86h开始向EC细胞分化，细胞形态逐渐变大。在变大的EB（95h）和EC（109h）中，Notch信号逐渐减弱，这说明当EB向EC分化的命运被决定之后，细胞不再需要激活Notch信号。

FlyVAB活体追踪ISC-EB-EC分化全过程

研究团队表示，正常年轻果蝇的肠道中，ISC通过细胞分裂进行自我更新，产生一个ISC以及一个EB细胞。ISC会缓慢地激活EB中的Notch信号，整个激活过程可以持续3天以上。

在此之后，根据肠道局部生理环境的不同，EB细胞会有两种不同的分化状态。

1、当EB周围没有EC损伤时，EB呈现“蓄势待发”状态。如果此时EB与ISC分离，“蓄势待发”EB中的Notch激活程度甚至可以下降。 2、当EB周围有EC发生了损伤，EB呈现“激活分化”状态。接着在1天之内，EB分化为新的EC，修复受损的组织。与此同时，伴随着EC的更新，ISC分裂的速率和Notch激活的速率都会显著性增加。

FlyVAB揭示果蝇肠道ISC细胞分裂和EB细胞分化模式图

论文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-021-02757-z

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