肠道、肝脏类器官在外源化学物毒理学评估的研究进展、方法案例参考！

肠/肝类器官毒理评估底层逻辑

外源化学物（环境污染物、药物）进入人体后遵循肠道吸收→肝脏代谢解毒的肠-肝轴通路，二者形成完整毒性响应链条，是体外毒理评估的黄金组合模型：

肠道类器官：外源化学物第一道屏障，聚焦肠道屏障损伤、营养代谢紊乱、肠道药物代谢、胃肠毒性、遗传毒性；

肝脏类器官：全身核心解毒器官，聚焦I/II相代谢酶活化、脂质蓄积、线粒体损伤、药物性肝损伤（DILI）、复合污染物协同毒性；

相较于2D单层细胞、动物模型核心优势：人源三维自组装结构、保留器官特异性细胞亚型、可患者个体化建模、规避物种代谢差异、适配剂量-效应机制研究、支撑高通量毒性筛选PMC。

三类干细胞分别适配不同毒理研究场景，胚胎干细胞、成体干细胞与诱导多能干细胞构建类器官的对比：

干细胞构建类器官的通用流程

1.干细胞取材

①成体干细胞ASC：人肠道Lgr5+干细胞、肝脏成熟肝细胞，培养周期3–7天，无伦理风险，自体移植无免疫排斥；

②iPSC诱导多能干细胞：成人细胞重编程，多分化潜能，可构建患者个体化模型；

③ESC胚胎干细胞：全能分化，但存在胚胎伦理争议表1。

2.三维支架培养

基质胶Matrigel/合成水凝胶包埋，添加器官特异性生长因子：肠道添加EGF、R-spondin、Noggin；肝脏添加HGF肝细胞生长因子；静态/搅拌生物反应器解决核心缺氧、营养扩散限制（静态类器官直径≤200μm）。

3.传代与培养环境控制

①肠道类器官：7–10天传代，低氧5%O₂模拟肠道生理微环境；天然极性倒置，可改造为顶端向外模型便于毒物直接暴露；

②肝脏类器官：7–14天传代，常规21%常氧，病理建模可切换低氧。

4.外源化学物暴露标准化流程

梯度浓度外源物干预→多时间点（T1/T2/T3）取样→质谱（GC-MS/NMR/HPLC）代谢组检测→细胞活力、凋亡、屏障、基因表达多终点检测。

5.毒性检测终点体系（通用）

细胞活力（ATP/PI染色）、屏障通透性、CYP450代谢酶表达、脂质蓄积、氧化应激、DNA损伤、细胞因子分泌、靶器官特异性标志物（ALB、黏蛋白、溶菌酶等）。

6.肝脏类器官专属毒理研究方法

①代谢功能验证：氨代谢、糖异生、药物代谢酶（CYP2C9/CYP3A4/CYP7A1）表达检测；

②肝损伤模型构建：高脂诱导脂肪肝、药物/重金属诱导急性肝损伤；

③复合暴露体系：单一毒物、毒物联合（微塑料+BPA）、疾病背景类器官（ALD酒精性肝病类器官）对比暴露。

不同时间点类器官的代谢评估

（一）肝脏类器官：外源化学物评估案例

1.环境重金属毒性案例

①实验方案：人肝脏类器官梯度暴露铊、汞、草甘膦、铅，检测IC₅₀、细胞ATP活力、细胞形态损伤；

②核心结果：毒性排序铊(13.5μM)＞汞(30.8μM)＞草甘膦(10.53mM)＞铅(2.98mM)；重金属破坏肝细胞骨架、抑制能量代谢，精准复现人肝蓄积毒性，动物模型无法匹配人体IC₅₀数值。

③方法参考点：类器官可直接测定重金属人体半数抑制浓度，替代啮齿动物粗筛。

参考文献：Forsythe SD, Devarasetty M, Shupe T, Bishop C, Atala A, Soker S, et al.  Environmental toxin screening using human-derived 3D bioengineered  liver and cardiac organoids. Front Public Health. 2018;6:103.

2.全氟烷基PFAS新型污染物

①实验方案：长短链PFAS分别干预肝脏类器官，检测细胞骨架、CYP酶活性、凋亡caspase通路；

②结果：短链HFBA仅致细胞形态异常，无凋亡；长链PFOS/PFOA高浓度下组织结构崩解、代谢酶完全抑制；区分不同碳链PFAS人体肝毒性差异。

参考文献：Palazzolo S, Caligiuri I, Sfriso AA, Mauceri M, Rotondo R, Campagnol D,  et al. Early warnings by liver organoids on short-and long-chain PFAS  toxicity. Toxics. 2022;10(2):91.

3.微塑料+双酚A复合联合暴露

①实验设计：健康人/酒精性肝病ALD患者肝脏类器官，单一微塑料、单一BPA、联合暴露三组对照；

②关键发现：单独暴露毒性微弱，二者协同诱导脂质蓄积、氧化应激、ERα雌激素受体上调，构建肝脂肪变性不良结局通路；老化微塑料（aPS）毒性远高于新鲜微塑料（pPS），干扰铁稳态；

③方法论创新：使用患者来源病变类器官，模拟易感人群污染物风险，实现个体化毒理评估。

参考文献：Cheng W, Zhou Y, Xie Y, Li Y, Zhou R, Wang H, et al. Combined effect of  polystyrene microplastics and bisphenol A on the human embryonic  stem cells-derived liver organoids: The hepatotoxicity and lipid accu mulation. Sci Total Environ. 2023;854: 158585. 

Cheng W, Zhou Y, Chen H, Wu Q, Li Y, Wang H, et al. The iron matters:  Aged microplastics disrupted the iron homeostasis in the liver orga noids. Sci Total Environ. 2024;906: 167529.

（二）肠道类器官：外源化学物评估案例

1.重金属肠道屏障损伤

镉、六价铬、砷梯度暴露肠道类器官：破坏紧密连接、黏液分泌功能紊乱、Wnt/Notch分化通路失衡；每种重金属对应独特肠道损伤形态，可区分不同金属肠道毒性靶点。

参考文献：Wang Z, Chen S, Pang Y, Ye L, Zhang Q, Jiang X, et al. Morphological  alterations in C57BL/6 mouse intestinal organoids as a tool for predict ing chemical-induced toxicity. Arch Toxicol. 2023;97(4):1133–46.

2.食品添加剂与纳米毒物

食品级TiO₂、日落黄染料干预：剂量依赖性下调MUC2、溶菌酶，诱导内质网应激；碳化铌纳米片抑制肠道干细胞增殖；用于食品添加剂安全风险筛查。

参考文献：Malaisé Y, Evariste L, Pettes-Duler A, Casale E, Cartier C, Gaultier E, et al.,  editors. Validating intestinal effects of food-grade titanium dioxide using  a murine gut organoid model as alternative to in vivo models. The XVIth  International Congress of Toxicology; 2022. 

Grabinger T, Luks L, Kostadinova F, Zimberlin C, Medema JP, Leist M, et al.  Ex vivo culture of intestinal crypt organoids as a model system for assess ing cell death induction in intestinal epithelial cells and enteropathy. Cell  death Dis. 2014;5(5):e1228.

3.环境致癌物苯并[a]芘遗传毒性

暴露后上调CYP1A1代谢酶，激活DNA损伤应答，形成DNA加合物；完整还原肠道上皮致癌物代谢活化过程，适用于膳食致癌物遗传毒性检测。

参考文献：Caipa Garcia AL, Kucab JE, Al-Serori H, Beck RS, Fischer F, Hufnagel M,  et al. Metabolic activation of benzo [a] pyrene by human tissue orga noid cultures. Int J Mol Sci. 2022;24(1):606.

（三）肠-肝联动多器官体系前沿案例

模型：微流控肠-肝器官芯片串联极化肠道类器官+血管化肝类器官；

毒物：对乙酰氨基酚口服暴露；

价值：完整还原肠道吸收→门静脉转运→肝脏首过代谢→肝损伤全过程，可量化药代动力学参数，单一器官类器官无法模拟肠肝轴协同毒性效应，用于新药早期ADME与联合用药风险评估。

参考文献：Jie M, Lin H, He Z, Liu H, Li H, Lin J-M. An on-chip intestine-liver model for  multiple drugs absorption and metabolism behavior simulation. Sci China  Chem. 2018;61:236–42

肠道、肝脏类器官弥补了传统2D细胞、动物模型在人源外源化学物毒理评估的核心缺陷，现有标准化培养、梯度暴露、多组学检测方法已形成完整实验体系，覆盖重金属、新型有机污染物、食品添加剂、各类临床药物四大研究场景。相关案例可为环境毒理、药学、食品安全领域科研人员提供标准化体外实验范式