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TrendsinFoodScienceTechnology:食物-肠道相互作用研究中的分化Caco-2细胞模型：当前应用和未来趋势
TrendsinFoodScienceTechnology
编译
赵冠华
研究背景：食物的大部分消化以及几乎所有的吸收和代谢都是在小肠中进行的。众所周知，肠是人体最大的免疫器官。并且肠道是多种微生物的家园，它们形成了一个庞大而复杂的生态系统，并为我们提供了我们无法进化的功能特征。由于肠道的多种生理功能，食物-肠道相互作用研究一直是食品科学和营养学的热门话题。与筛选能力有限的昂贵动物模型相比，简单、可靠和高度可复制的肠道细胞模型广泛用于食品-肠道相互作用研究。有许多功能性细胞模型可用于体外模拟肠道，其中Caco-2细胞模型是使用最广泛的经典模型之一。
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●成果介绍
Caco-2细胞系源于人结肠腺癌，通常Caco-2细胞在标准培养后的7天开始分化，分化在大约21天完成。短期培养后获得的未分化的Caco-2细胞，通常用于研究活性成分的抗癌或抗氧化活性，而分化的Caco-2单层细胞由于其形态、标记酶的表达、渗透性特征与人类小肠相似，而被用于体外模拟肠道。
2.1分化的Caco-2细胞模型的特征与建立
2.1.1分化的Caco-2细胞模型的特征
在标准培养条件下，Caco-2细胞在融合后可以自发分化为单层细胞。在三个不同的培养阶段，Caco-2细胞的形态和功能显着不同。（1）均一性未分化：亚汇合处的刷状缘正在持续发展；（2）不均匀极化和分化：融合后培养5-20天后，微绒毛的长度和密度增加，与此同时每个细胞所占的表面逐渐减少，细胞之间的紧密连接开始发展。融合后21天通常会生成完整的Caco-2细胞紧密连接。（3）均质极化和分化：融合培养后30天，Caco-2细胞出现典型的肠细胞形态，细胞表面最小。在同一时期，完整的刷状缘完全形成了高而规则的微绒毛。
2.1.2分化的Caco-2细胞模型的建立
用于建立模型的Caco-2细胞通常在第20到60代之间。在大多数实验中，Caco-2细胞的培养密度小于2.5×cell/cm2，密度过高容易导致大细胞死亡。将特定浓度的细胞悬浮液添加到Transwell的顶腔中，由于Caco-2细胞模型要求细胞不能穿过聚碳酸酯膜，因此通常选择孔径为3.0μm或更小的Transwell。在标准培养条件下，将Caco-2细胞模型用于培养后15-21天的研究。
2.1.3评估分化的Caco-2细胞模型
转化酶、乳糖酶、异麦芽糖酶和碱性磷酸酶是小肠刷状缘的标记酶，其活性在一定程度上反映了Caco-2细胞的分化程度。电子显微镜可以直接观察到单层顶端微绒毛和细胞间紧密连接的形成，光学显微镜可以观察细胞单层的形成。
由于快速可靠，跨上皮电阻(TEER)值被广泛用于评估Caco-2单层的完整性。当单层的TEER值高于Ω时，就可以将Caco-2单层用于进一步的实验。此外，测定暴露标记的跨膜通量也可以反映单层的通透性，常用的标记是甘露醇、菊粉、聚乙二醇、荧光*等。其中放射性标记的甘露醇最常用，其低渗透性（每小时0.5％）用作评估Caco-2单层完整性的标准。
2.2分化的Caco-2细胞模型在食物-肠道相互作用研究中的当前应用
2.2.1肠道吸收
近年来，使用分化的Caco-2细胞模型进行了许多生物利用度研究，主要集中在以下几个方面。
1）预测被动扩散营养物的生物利用度。在不同的暴露条件下，被动扩散的营养物（尤其是微量元素）的生物利用度差异很大，从营养的角度来看，分化的Caco-2细胞模型通常用于选择首选的食物类型、储藏和烹饪方法。
2）评价营养物质前体的吸收。某些脂溶性差且生物利用度低的营养素可被修饰为前体，这些营养素会被酶水解为人体各种组织的活性成分，从而增强营养素分子的细胞渗透性。营养素的这些结构修饰大多数是基于纳米技术的应用，包括脂质体、大分子胶束、纳米乳剂和纳米脂质颗粒。
3）营养物质相互作用对生物利用度的影响。基于分化的Caco-2细胞模型的研究表明，营养素的生物利用度在很大程度上取决于食物与食物的协同作用。
4）营养物质结构与生物利用度之间的关系。研究营养物质结构与生物利用度之间的关系可以增进对小肠化学结构对营养物质吸收的影响的了解，从而大大提高有效营养物质的吸收。
5）胃肠道消化对营养物质生物利用度的影响。体外模拟消化通常将Caco-2细胞和分化后的Caco-2细胞模型结合起来，以预测消化产物的生物利用度，尤其是来自多种食物蛋白的肽的生物利用度。
2.2.2肠运输
基于分化的Caco-2细胞模型，不仅可以评估食物中营养物质和外源物质的生物利用度，还可以研究特定条件下的膜运输机制。小肠中的营养膜运输可以通过以下四种模式中的一种或多种来进行：跨细胞被动扩散运输、旁细胞运输、载体介导的运输和转胞吞作用。
2.2.3肠道代谢
营养物质的代谢发生在管腔，刷缘或肠壁细胞中，然后才通过肠吸收到血液中，从而导致生物利用度降低。肠上皮代谢是由I期和II期代谢酶引起的。
2.2.4肠屏障
除了营养物质吸收和吸收的主要场所外，肠道还是稳态的先天性障碍。一方面，机体的生长需要肠道保持一定的通透性，以确保最大程度地吸收营养。另一方面，保持良好的肠道紧缩性对身体健康至关重要，因为它可以防止病原细菌和*素以及其他有害物质通过肠道进入体内。
2.2.5肠道免疫
肠粘膜免疫是粘膜免疫系统最重要的部分。肠粘膜约m2，直接与人体中的外部抗原接触，粘膜组织中的免疫细胞占所有免疫细胞的80％。肠上皮细胞被认为是肠粘膜固有免疫的重要细胞成分，其通过将抗原递送至树突状细胞和其他位于肠上皮底部的免疫细胞，在适应性免疫中也发挥着关键作用。一旦肠道通透性随着肠壁屏障的破坏而增加，来自肠道微生物及其代谢产物的病原体相关分子模式将与肠道粘膜免疫细胞的模式识别受体结合，然后激活免疫细胞分泌炎性因子。
2.2.6肠粘附
粘附是微生物在宿主肠上皮中定植的第一步。益生菌只有瞬时或永久地粘附在宿主肠道上皮细胞上，才能在宿主肠道中长期发挥作用，大多数研究者认为益生菌对肠道细胞系的粘附能力是重要的筛选指标。作为成熟的肠上皮细胞模型，已分化的Caco-2细胞模型已用于研究各种潜在益生菌的粘附性，从而在体外筛选益生菌菌株。
2.3在食物-肠道相互作用研究中分化的Caco-2细胞模型的未来趋势
未来的研究应在自动化、生物化学、分子生物学和细胞共培养的帮助下打破传统模型的局限性，以使其更接近内部环境而不牺牲其简单性和可靠性，并且更适合于成本有效的食品-肠道相互作用的大规模分析。
3.结果
大量研究表明，分化的Caco-2细胞模型在食物-肠道相互作用研究中起着不可或缺的作用。作为成熟的体外具有高灵活性，高重复性和低成本的肠道模型，分化的Caco-2细胞模型已应用于各种肠道研究，包括肠道吸收、肠道运输、肠道代谢、肠道屏障、肠道免疫力和肠粘连。考虑到分化的Caco-2细胞模型不能完全模拟真实的肠道，因此人们已经通过自动化、生物化学、分子生物学和细胞共培养的方法来改进分化的Caco-2细胞模型。在未来的研究中，应将分化的Caco-2细胞模型开发为更接近内部环境，而不牺牲其简单性和可靠性，并且更适合于进行成本有效的大规模食品-肠道相互作用分析。
参考文献