剛性は腸の幹細胞の幹を制限し、杯細胞への分化を歪めます

背景と目的：線維症と組織の硬化は、炎症性腸疾患（IBD）の特徴です。剛性の増加は、IBDの上皮細胞恒常性の調節不全に直接寄与するという仮説を立てています。ここでは、腸幹細胞（ISC）の運命と機能に対する組織硬化の影響を決定することを目指しています。 方法：調整可能な剛性を備えたヒドロゲルマトリックス上で成長した2.5次元の腸オルガノイドで構成される長期培養システムを開発しました。単一細胞RNAシーケンスは、ISCとそれらの分化した子孫の剛性調節転写シグネチャを提供しました。Yap-KnockoutおよびYap-overExpressionマウスを使用して、YAP発現を操作しました。さらに、マウス大腸炎モデルとヒトIBDサンプルの結腸サンプルを分析して、in vivoでのISCに対する剛性の影響を評価しました。 結果：剛性を増加させると、LGR5+ ISCSおよびKI-67+増殖細胞の集団が強力に減少することが実証されました。逆に、幹細胞マーカーを発現する細胞であるOLFM4は、地下室のようなコンパートメントで支配的になり、絨毛のような領域に浸透しました。同時に、硬直により、ISCはゴブレット細胞に向けて優先的に区別するように促しました。機械的に、硬化はサイトゾルYAPの発現を増加させ、olFM4+細胞のvill様領域への拡張を促進し、YAPの核移行を誘発し、ゴブレット細胞に対するISCの優先的な分化をもたらしました。さらに、マウス大腸炎モデルとIBD患者からの結腸サンプルの分析により、in vitroで観察されたものを連想させる細胞および分子リモデリングが示されました。 結論：集合的に、私たちの調査結果は、マトリックスの剛性がISCの幹とその分化軌道を強力に調節し、線維症誘発性腸硬化がIBDでの上皮リモデリングに直接的な役割を果たすという仮説を支持することを強調しています。

BACKGROUND & AIMS: Fibrosis and tissue stiffening are hallmarks of the inflammatory bowel disease (IBD). We have hypothesized that the increased stiffness directly contributes to the dysregulation of the epithelial cell homeostasis in IBD. Here, we aim to determine the impact of tissue stiffening on the fate and function of the intestinal stem cells (ISCs). METHODS: We developed a long-term culture system consisting of 2.5-dimensional intestinal organoids grown on a hydrogel matrix with tunable stiffness. Single-cell RNA sequencing provided stiffness-regulated transcriptional signatures of the ISCs and their differentiated progeny. YAP-knockout and YAP-overexpression mice were used to manipulate YAP expression. In addition, we analyzed colon samples from murine colitis models and human IBD samples to assess the impact of stiffness on ISCs in vivo. RESULTS: We demonstrated that increasing the stiffness potently reduced the population of LGR5+ ISCs and KI-67+ proliferating cells. Conversely, cells expressing the stem cell marker, OLFM4, became dominant in the crypt-like compartments and pervaded the villus-like regions. Concomitantly, stiffening prompted the ISCs to preferentially differentiate toward goblet cells. Mechanistically, stiffening increased the expression of cytosolic YAP, driving the extension of OLFM4+ cells into the villus-like regions, while it induced the nuclear translocation of YAP, leading to preferential differentiation of ISCs towards goblet cells. Furthermore, analysis of colon samples from murine colitis models and IBD patients demonstrated cellular and molecular remodeling reminiscent of those observed in vitro. CONCLUSIONS: Collectively, our findings highlight that matrix stiffness potently regulates the stemness of ISCs and their differentiation trajectory, supporting the hypothesis that fibrosis-induced gut stiffening plays a direct role in epithelial remodeling in IBD.