《Nature Biotechnology》：突破类器官培养瓶颈！肠道类器官在胶原凝胶中高效生长，推动临床转化

背景

类器官作为 “微型器官”，在药物筛选、疾病建模和临床移植中潜力巨大。但当前主流培养体系依赖的 Matrigel（基底膜提取物）存在诸多局限 —— 来源异源（小鼠肿瘤提取）、成分不明、批次差异大，且无临床级产品，严重阻碍类器官向临床应用转化。

近日，荷兰Hans Clevers团队在《Nature Biotechnology》发表重磅研究，提出 “单链整合素激活抗体 scTS2/16 + 胶原 I 水凝胶” 的解决方案：前者可激活类器官表面的 β1 整合素，后者为临床级明确成分材料。两者协同作用，不仅让胃肠道类器官在胶原凝胶中产量提升 6-7 倍，还解决了 Matrigel 依赖问题。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41587-025-02874-8

临床问题

自 2009 年 Hans Clevers 团队建立肠道类器官培养技术以来，Matrigel 一直是类器官生长的 “标配”—— 它模拟基底膜，提供层粘连蛋白、IV 型胶原等 extracellular matrix（ECM）成分，通过与类器官表面的 β1 整合素结合，维持细胞极性和生长。但 Matrigel 的固有缺陷：

1.异源与安全风险：源于小鼠 Engelbreth-Holm-Swarm 肿瘤，可能携带小鼠蛋白或病原体，无法用于人体移植。

2.成分不可控：含多种未明确蛋白，批次间成分差异大，导致类器官培养稳定性差。

3.无临床级产品：目前无符合临床标准的 Matrigel，难以满足细胞治疗的 GMP 要求。

研究团队发现，类器官与 ECM 的相互作用核心依赖 β1 整合素 —— 抑制 β1 整合素（如使用抗体 AIIB2）会导致类器官极性反转、生长停滞，这提示：若能激活 β1 整合素功能，或可摆脱对 Matrigel 的依赖，改用成分明确的临床级 ECM 材料（如胶原 I）培养类器官。

体内和体外上皮细胞整合素功能示意图（Wim B et al., 2025）

核心突破

将小鼠 TS2/16 抗体（可激活 β1 整合素）改造为单链抗体 scTS2/16，实现两大关键功能：

1.激活 β1 整合素，推动类器官在 Matrigel 中高效生长

scTS2/16 通过变构作用激活 β1 整合素，增强类器官与 ECM 的相互作用。提升细胞黏附能力：结肠类器官单细胞在 Matrigel 上的黏附量，在 2nM scTS2/16 作用下从 11×10⁵ RLU 提升至 22×10⁵ RLU，而抑制性抗体 AIIB2 会完全阻断黏附。促进类器官增殖与克隆形成：添加 5nM scTS2/16 后，结肠类器官 10 天内基因组 DNA 量提升 3 倍，单细胞克隆形成效率从 30×10³ RLU 提升至 330×10³ RLU。适用多种胃肠道类器官：胃、十二指肠、空肠、回肠、胰腺导管、胆管类器官在 scTS2/16 作用下，生长均显著提升，其中胰腺类器官产量提升 8.1 倍。

scFv TS2/16增强了BME中肠道细胞器的生长（Wim B et al., 2025）

胃肠道细胞器的BME生长由β1整合素介导（Wim B et al., 2025）

2. 突破胶原凝胶培养瓶颈，实现临床级材料适配

胶原 I 是临床常用的 ECM 材料（已用于组织修复），但单独使用时类器官生长效率极低。scTS2/16 通过激活 α2β1 整合素（胶原 I 受体），增强胶原黏附与生长：结肠类器官单细胞在胶原 I 上的黏附量，在 scTS2/16 作用下从 7.5×10⁵ RLU 提升至 22.5×10⁵ RLU。CRISPR 敲除 α2 整合素（ITGA2⁻/⁻）后，类器官无法在胶原中生长，证实 α2β1 整合素是关键。支持原代类器官培养：新鲜结肠活检组织在胶原 I+scTS2/16 中，类器官产量从平均 6 个 / 孔提升至 25 个孔。胆管原代类器官产量提升 2 倍。

兼容 2D 长期培养：十二指肠类器官在胶原 I 包被的 Transwell 中，添加 scTS2/16 后连续传代 4 次，细胞总量提升 15 倍。空肠类器官传代 6 次后，仍能分化为肠上皮细胞、杯状细胞、潘氏细胞和肠内分泌细胞。

scTS2/16改善了PureCol EZ Gel中原发性细胞器的整合素α2β1介导的生长（Wim B et al., 2025）

肠道器官的长期二维生长和分化（Wim B et al., 2025）

技术优势

1.高安全性与可及性：scTS2/16 可在大肠杆菌或 HEK293 细胞中高效表达（50ml 细菌培养可产 1mg，足够 7L 培养基使用），易制备临床级批次。

2.功能特异性：仅激活 β1 整合素，不改变类器官转录组 —— bulk RNA 测序显示，添加 scTS2/16 后，结肠、十二指肠、空肠类器官的基因表达无显著变化。

3D BME生长的肠道细胞器在有或没有TS2/16的情况下保持其转录程序（Wim B et al., 2025）

3.兼容多种培养体系：无论 3D Matrigel、3D 胶原 I 还是 2D 胶原 I 培养，scTS2/16 均能提升类器官生长效率，适配不同研究与应用场景。

无论scTS2/16处理，在2D BME或PureCol EZgel中维持的十二指肠或结肠细胞器，以及在BME中培养的胰腺导管细胞，其转录谱没有变化（Wim B et al., 2025）

临床价值

1.解决临床级培养难题：胶原 I+scTS2/16 体系成分明确、可规模化生产，为类器官移植（如溃疡性结肠炎、放射性口干症）提供合规培养方案。

2.提升移植效率潜力：scTS2/16 激活的整合素可增强类器官与宿主组织的黏附，或能提升移植后的定植率。

3.拓展研究应用：2D 胶原 + scTS2/16 体系可用于类器官的长期扩增与分化研究，为药物筛选提供稳定的细胞模型。

总结

这项研究通过 “单链抗体激活整合素” 的创新思路，既解决了类器官培养对 Matrigel 的依赖，又为临床级类器官制备提供了可行方案。scTS2/16 的出现，不仅是类器官培养技术的突破，更让 “类器官临床应用” 从概念走向现实。

未来，我们或许能看到基于胶原 + scTS2/16 培养的类器官，用于修复受损消化道组织，为患者带来新的治疗希望。

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