Modern experimental systems for studying various functions of the gastrointestinal tract

Аліна Литвиненко

doi:10.63341/bmbr/3.2025.37

Автор(и)

Аліна Литвиненко Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України https://orcid.org/0009-0009-3002-3426

DOI:

https://doi.org/10.63341/bmbr/3.2025.37

Ключові слова:

кишечник, моделі in virto, моделі ex vivo, ентероцити, суспензія епітеліальних клітин кишечника

Анотація

Цілісність та функціонування кишечника мають вирішальне значення для перетравлення та поглинання поживних речовин, імунологічного гомеостазу та запобіганню потрапляння шкідливих антигенів. Вдосконалення та розробка нових експериментальних систем для вивчення різноманітних функцій кишечника є актуальним завданням біології та медицини. Метою даної статті був опис сучасних експериментальних систем для вивчення різних функцій кишечника, зосереджуючись на їх застосуванні, перевагах та обмеженнях. Для досягнення мети проведено аналіз та узагальненння публікацій 2019-2025 рр., відібраних у PubMed та Google Scholar. На основі аналізу даних літератури та авторських експериментальних досліджень встановлено, що такі методи як «вивернута кишка» та «камера Усенга» є ефективними для вивчення, механізмів кінетики та всмоктування ліків у тонкій і в товстій кишці. Cистеми «InTESTine™» є інструментом для оцінки кишкової проникності й для прогнозування кишкового всмоктування їжі та ліків. Проаналізовано такі системи як «кишкові органоїди», «система ентероїду» та «кишечник на чіпі», що використовуються для дослідження динамічних процесів, секреції та всмоктування в кишечнику. Показано, що трансформовані та культивовані «лінії епітеліальних клітин» (Caco-2, HT-29 і T84) мають певні недоліки у використанні та ракове походження клітин. Було досліджено «суспензію епітеліальних клітин», яка є простою перспективною системою ex vivо для вивчення прямого та негайного впливу хімічних речовин на кишковий епітелій. Практична цінність роботи полягає в порівнянні експериментальних методів вивчення кишечника, що може спияти ефективності доклінічних досліджень, удосконалення діагностики медичної допомоги та розвитку персоналізованої медицини

Отримано: 25.04.2025 | Переглянуто: 21.07.2025 | Прийнято: 02.09.2025

Біографія автора

Аліна Литвиненко, Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України

Кандидат біологічних наук 01024, вул. Богомольця, 4, м. Київ, Україна

Посилання

Moerkens R, Mooiweer J, Ramírez‑Sánchez AD, Barrett RJ, Jonkers IH, Withoff S, et al. An iPSC‑derived small intestine‑on‑chip with self‑organizing epithelial, mesenchymal, and neural cells. Cell Rep. 2024;43(7):114247. DOI: 10.1016/j.celrep.2024.114247

Parigi SM, Larsson L, Das S, Ramirez Flores RO, Frede A, KP Tripathi, et al. The spatial transcriptomic landscape of the healing mouse intestine following damage. Nat Commun. 2022;13:828. DOI: 10.1038/s41467-022-28497-0

Soloviov S, Trokhimenko O, Polishchuk V, Pits V, Vasylenko V, Vasylenko Y, et al. In vitro modeling of the effect of Lactobacillus metabolites on the systemic response of the body in intestinal viral infection. Innov Biosyst Bioeng. 2024;8(2):38–52.

Zhayvoronok MN, Zalesky VM. Intestinal fibrogenesis in inflammatory bowel diseases. Gastroenterology. 2022;56(4):258–65.

Holloway EM, Capeling MM, Spence JR. Biologically inspired approaches to generate functional human gastrointestinal organoids. Development. 2019;146(8):dev166173. DOI: 10.1242/dev.166173

Kassis J, Wan Z. Editorial: Latest advancements in organ-on-a-chip technology. Front Pharmacol. 2025;16:1631320. DOI: 10.3389/fphar.2025.1631320

Kuhn MR, Wolcott EA, Langer EM. Developments in gastrointestinal organoid cultures to recapitulate tissue environments. Front Bioeng Biotechnol. 2025;13:1521044. DOI: 10.3389/fbioe.2025.1521044

Lytvynenko AP. The effect of dextran-polyacrylamide polymers on regulated cell death of enterocytes in mice. In: The 7th international scientific conference current problems of biochemistry, cell biology and physiology. Dnipro: Oles Honchar Dnipro National University; 2024. P. 144–5.

Abbas F, Beigh A, Khuroo MS, Farooq S, Khuroo NS, Tazeen S. Histopathological profile of gastrointestinal neuroendocrine tumors in a tertiary care hospital. Int J Med Med Res. 2021;7(2):83–90. DOI: 10.11603/ijmmr.2413-6077.2021.2.12595

Song H, Hong Y, Lee H. Rapid automated production of tubular 3D intestine-on-a-chip with diverse cell types using coaxial bioprinting. Lab Chip. 2025;25:90–101. DOI: 10.1039/D4LC00731J

Khamoushian S, Madrakian T, Afkhami A, Ghoorchian A, Ghavami S, Tari K, et al. Transdermal delivery of insulin using combination of iontophoresis and deep eutectic solvents as chemical penetration enhancers: In vitro and in vivo evaluations. J Pharm Sci. 2023;112(8):2249–59. DOI: 10.1016/j.xphs.2023.03.005

Yaghoobian M, Haeri A, Bolourchian N, Shahhosseini S, Dadashzadeh S. An investigation into the role of P‑glycoprotein in the intestinal absorption of repaglinide: Assessed by everted gut sac and Caco‑2 cell line. Iran J Pharm Res. 2019;18(1):102–10. DOI: 10.22037/ijpr.2019.2345

Miyazaki K, Sasaki A, Mizuuchi H. Advances in the evaluation of gastrointestinal absorption considering the mucus layer. Pharmaceutics. 2023;15(12):2714. DOI: 10.3390/pharmaceutics15122714

Noorman L, van der Hee B, Gilbert MS, de Vries S, van der Hoek S, Gerrits WJJ. Assessing seromuscular layer and serosa removal on intestinal permeability measurements in weaned piglet everted sac segments. J Anim Sci. 2024;102:skae148. DOI: 10.1093/jas/skae148

Qi M, Wang X, Chen J, Liu Y, Liu Y, Jia J, et al. Transformation, absorption and toxicological mechanisms of silver nanoparticles in the gastrointestinal tract following oral exposure. ACS Nano. 2023;17(10):8851–65. DOI: 10.1021/acsnano.3c00024

Guo S, Liang Y, Liu L, Yin M, Wang A, Sun K, et al. Research on the fate of polymeric nanoparticles in the process of the intestinal absorption based on model nanoparticles with various characteristics: Size, surface charge and pro-hydrophobics. J Nanobiotechnol. 2021;19:32. DOI: 10.1186/s12951-021-00770-2

Zheng Y, Luo S, Xu M, He Q, Xie J, Wu J, et al. Transepithelial transport of nanoparticles in oral drug delivery: From the perspective of surface and holistic property modulation. Acta Pharm Sin B. 2024;14(9):3876–900. DOI: 10.1016/j.apsb.2024.06.015

Khan H, Nazir S, Farooq RK, Khan IN, Javed A. Fabrication and assessment of diosgenin encapsulated stearic acid solid lipid nanoparticles for its anticancer and antidepressant effects using in vitro and in vivo models. Front Neurosci. 2022;15:806713. DOI: 10.3389/fnins.2021.806713

Grieger KM, Schröder V, Dehmel S, Neuhaus V, Schaudien D, Fuchs M, et al. Ex vivo modeling and pharmacological modulation of tissue immune responses in inflammatory bowel disease using precision-cut intestinal slices. Eur J Immunol. 2025;55(7):e70013. DOI: 10.1002/eji.70013

Joshi A, Soni A, Acharya S. In vitro models and ex vivo systems used in inflammatory bowel disease. In Vitro Model. 2022;1(3):213–27. DOI: 10.1007/s44164-022-00017-w

Thomson A, Smart K, Somerville MS, Lauder SN, Appanna G, Horwood J, et al. The Ussing chamber system for measuring intestinal permeability in health and disease. BMC Gastroenterol. 2019;19:98. DOI: 10.1186/s12876-019-1002-4

McCormick J, Hoffman K, Thompson H, Skinner D, Zhang S, Grayson J, et al. Differential chloride secretory capacity in transepithelial ion transport properties in chronic rhinosinusitis. Am J Rhinol Allergy. 2020;34(6):830–7. DOI: 10.1177/1945892420930975

Pearce SC, Coia HG, Karl JP, Pantoja-Feliciano IG, Zachos NC, Racicot K. Intestinal in vitro and ex vivo models to study host-microbiome interactions and acute stressors. Front Physiol. 2018;9:1584. DOI: 10.3389/fphys.2018.01584

Stevens LJ, van Lipzig MM, Erpelinck SL, Pronk A, van Gorp J, Wortelboer HM, et al. A higher throughput and physiologically relevant two-compartmental human ex vivo intestinal tissue system for studying gastrointestinal processes. Eur J Pharm Sci. 2019;137:104989. DOI: 10.1016/j.ejps.2019.104989

Fedi A, Vitale C, Ponschin G, Ayehunie S, Fato M, Scaglione S. In vitro models replicating the human intestinal epithelium for absorption and metabolism studies: A systematic review. J Control Release. 2021;335:247–68. DOI: 10.1016/j.jconrel.2021.05.028

Kimura Y, van der Merwe M, Bering SB, Penmatsa H, Conoley VG, Sangild PT, et al. Glucose transport by epithelia prepared from harvested enterocytes. Cytotechnology. 2013;67(1):39–49. DOI: 10.1007/s10616-013-9656-1

Lytvynenko AP, Kaleynikova OM, Voznesenska TYu. Effect of gold and silver nanoparticles on the enterocytes cell death in mice. Biopolym Cell. 2024;40(3):223. DOI: 10.7124/bc.000ACC

Wang CM, Oberoi HS, Law D, Li Y, Kassis T, Griffith LG, et al. Human mesofluidic intestinal model for studying transport of drug carriers and bacteria through a live mucosal barrier. Lab Chip. 2025;25(12):2990–3004. DOI: 10.1039/D4LC00774C

Deyaert S, Moens F, Pirovano W, van den Bogert B, Klaassens ES, Marzorati M, et al. Development of a reproducible small intestinal microbiota model and its integration into the SHIME®-system, a dynamic in vitro gut model. Front Microbiol. 2023;13:1054061. DOI: 10.3389/fmicb.2022.1054061

Haddad MJ, Sztupecki W, Delayre-Orthez C, Rhazi L, Barbezier N, Depeint F, et al. Complexification of in vitro models of intestinal barriers, a true challenge for a more accurate alternative approach. Int J Mol Sci. 2023;24(4):3595. DOI: 10.3390/ijms24043595

Panse N, Gerk PM. The Caco-2 model: Modifications and enhancements to improve efficiency and predictive performance. Int J Pharm. 2022;624:122004. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2022.122004

Hoffmann P, Burmester M, Langeheine M, Brehm R, Empl MT, Seeger B, et al. Caco-2/HT29-MTX co-cultured cells as a model for studying physiological properties and toxin-induced effects on intestinal cells. PLoS One. 2021;16(10):e0257824. DOI: 10.1371/journal.pone.0257824

Wang Y, Zuo Y, Deng S, Zuo F, Lui Q, Wang R, et al. Using caffeine and free amino acids to enhance the transepithelial transport of catechins in Caco-2 Cells. J Agric Food Chem. 2019;67(19):5477–85. DOI: 10.1021/acs.jafc.9b01701

Anjum M, Laitila A, Ouwehand AC, Forssten SD. Current perspectives on gastrointestinal models to assess probiotic-pathogen interactions. Front Microbiol. 2022;13:831455. DOI: 10.3389/fmicb.2022.831455

Peddibhotla S, Boone LA, Taylor EL, McQueen BE, Boazak EM. A scalable human gut-immune co-culture model for evaluating inflammatory bowel disease anti-inflammatory therapies. SLAS Discovery. 2025;35:100248. DOI: 10.1016/j.slasd.2025.100248

Belaid M, Javorovic J, Pastorin G, Vllasaliu D. Development of an in vitro co-culture model using Caco-2 and J774A.1 cells to mimic intestinal inflammation. Eur J Pharm Biopharm. 2024;197:114243. DOI: 10.1016/j.ejpb.2024.114243

Marescotti D, Lo Sasso G, Guerrera D, Renggli K, Ruiz Castro PA, Piault R, et al. Development of an advanced multicellular intestinal model for assessing immunomodulatory properties of anti-inflammatory compounds. Front Pharmacol. 2021;12:639716. DOI: 10.3389/fphar.2021.639716

Valiei A, Aminian-Dehkordi J, Mofrad MRK. Gut-on-a-chip models for dissecting the gut-brain axis. APL Bioeng. 2023;7(1):011502. DOI: 10.1063/5.0110584

Mohan TS, Datta P, Nesaei S, Ozbolat V, Ozbolat IT. 3D coaxial bioprinting: Process mechanisms, bioinks and applications. Prog Biomed Eng (Bristol). 2022;4(2):022003. DOI: 10.1088/2516-1091/ac631c

Liu T, Li X, Li H, Qin J, Xu H, Wen J, et al. Intestinal organoid modeling: Bridging the gap from experimental model to clinical translation. Front Oncol. 2024;14:1334631. DOI: 10.3389/fonc.2024.1334631

Li Y, Yang N, Chen J, Huang X, Zhang N, Yang S, et al. Next-generation porcine intestinal organoids: An apical-out organoid model for swine enteric virus infection and immune response investigations. J Virol. 2020;94(21):e01006-20. DOI: 10.1128/JVI.01006-20

Parente IA, Bertoni S, Chiara L. Exploring the potential of human intestinal organoids: Applications, challenges, and future directions. Life Sci. 2024;352:122875. DOI: 10.1016/j.lfs.2024.122875

Verduin M, Hoeben A, De Ruysscher D, Vooijs M. Patient-derived cancer organoids as predictors of treatment response. Front Oncol. 2021;11:641980. DOI: 10.3389/fonc.2021.641980

Tian CM, Yang MF, Xu HM. Stem cell-derived intestinal organoids: A novel modality for IBD. Cell Death Discov. 2023;9:255. DOI: 10.1038/s41420-023-01556-1

Saxena K, Blutt SE, Ettayebi K, Zeng XL, Broughman JR, Crawford SE, et al. Human intestinal enteroids: A new model to study human rotavirus infection, host restriction, and pathophysiology. J Virol. 2015;90(1):43–56. DOI: 10.1128/JVI.01930-15