利用器官晶元技術可以在體外研究人體腸道微生物體生理

人類的微生物群，生活在我們體內和身體上的大量微生物，深刻地影響著人類的健康和疾病。尤其是人類腸道菌群，它蘊藏著數量最多的微生物，不僅分解營養物質，釋放對我們生存重要的分子，而且也是許多疾病(包括傳染病、炎症性腸病、癌症、代謝性疾病、自身免疫性疾病和神經精神障礙)發展的關鍵因素。

我們所知道的大多數人與微生物的相互作用是建立在疾病狀態與糞便樣本中細菌DNA之間的相關研究的基礎上的。這是因為研究微生物群與人體外腸道組織之間的直接相互作用是一項艱巨的挑戰，這在很大程度上是因為即使是共生細菌在培養盤上生長一天就會過度生長和殺死人類細胞。腸道中的許多共生微生物也是厭氧微生物，因此它們需要非常低的氧氣條件才能生長，從而損害人體細胞。

哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所的一個研究小組，由該研究所的創始人唐納德·英格伯領導，利用「器官晶元」(器官晶元)的微流控培養技術，開發了解決這個問題的方法。他的團隊現在能夠在人體腸道晶元中培養一個穩定的、複雜的人類微生物群，直接接觸血管化的人腸上皮細胞5天，在該晶元中建立氧梯度，向內皮和上皮提供高水平的氧梯度，同時維持由共菌居住的腸道腔中的低氧狀態。它們的「厭氧腸道晶元」在幾天內穩定地保持著與人糞便相似的微生物多樣性，以及由人類腸道組織形成的保護性生理屏障。這項研究發表在自然生物醫學工程.

「在過去十年里，醫學的主要範式轉變是認識到微生物群在健康和疾病中所起的巨大作用。這種新的厭食症腸道晶元技術現在提供了一種方法，可以在細胞和分子水平上研究在體外高度控制的條件下臨床上與宿主-微生物的相互作用。「Ingber，M.D.博士說，他也是哈佛醫學院血管生物學的猶大·福克曼教授和波士頓兒童醫院的血管生物學項目。海洋生物工程教授。「通過直接接觸微生物群和分化的腸道組織，這種方法可以用於發現特定的微生物或它們的代謝產物，這些微生物或代謝物可能導致疾病或可能有助於預防這些疾病，而且由於我們使用從病人身上分離出來的細胞，這種方法也可以用於個性化的醫學。」

第一作者sasan Jalili-Firoozinezhad說：「早期的組織培養系統旨在重述人類微生物群和腸上皮細胞在體外的相互作用，但由於它們不能相互直接接觸而無法生長這兩種成分，而且沒有模仿對厭氧菌生存至關重要的低氧濃度。」Ingber在Wyss研究所的團隊和共同作者之一的研究生Joaquim Cabral博士，葡萄牙里斯本大學教授。更複雜的事情：沿著小腸向結腸運動，氧氣水平持續下降，這也改變了局部微生物組分。

對於他們的厭氧腸道晶元，研究小組利用其經證實的由多孔膜分離的兩個平行微通道組成的腸道晶元。它們在上通道的膜頂部生長人腸上皮細胞，在下通道培養來自小腸微血管的血管內皮細胞。用於排列這些腸晶元的腸道細胞要麼是從細胞株中獲得的，要麼是從迴腸活檢中獲得的，並通過中間的器官步驟進行擴張，形成微小的球形腸組織結構，然後在晶元中培養前將其分解成碎片。

為了容納一個完整的微生物群，研究小組將腸道晶元放置在一個定製的無氧室中，這樣他們就可以大大降低上腸上皮通道中的氧氣濃度，同時保持較低的內皮細胞通道處於正常的氧氣濃度。「我們在這兩條通道上產生了氧氣梯度，這仍然允許通過多孔膜的氧氣擴散來支撐腸道上皮，」聯合第一作者伊麗莎白·卡拉馬里(Elizabeth Calamari)說。她是英博研究團隊的研究助理，與wyss高級參謀工程師和共同作者理查德諾瓦克(Richard Novak)共同設計了該設備。此外，我們還為腸道晶元安裝了光學感測器，可以實時報告兩個通道的局部氧濃度，而不會干擾氧梯度。「

從健康人糞便中獲得的複合腸道微生物樣本，在無菌(Gnotobitic)小鼠中穩定培養，或從嬰兒糞便中新鮮分離出來，然後注入上皮通道，在那裡直接接觸由下腸上皮自然分泌的粘液層。更重要的是，在這些低氧條件下生長的共生細菌種群的多樣性保持了在人類腸道中觀察到的豐富度。Jalili-Firoozinezhad說：「通過基因組分析，我們可以培養200多個不同的細菌群，培養幾天，細菌的數量和比率與在人類糞便中觀察到的細菌數量和比例相似。」重要的是，完整的微生物群進一步增強了腸上皮的屏障功能，其細胞提供緊密的密封，併產生保護性粘液層，這是腸道健康的重要先決條件。

能夠在體外和數天內觀察與人類腸道組織直接接觸的完整的人類微生物的組成和變化，為個性化醫學和藥物測試開闢了機會。「我們可以從同一個個體中培養特定區域的腸道組織和微生物，以尋找對特定致病、炎症和全身疾病產生敏感性或耐受性的關聯，」第一作者弗朗西斯卡·加扎尼加(Francesca Gazzaniga)博士說。他是Ingber小組和共同作者之一丹尼斯·卡斯珀(Dennis Kasper，M.D.)的博士後研究員。HMS免疫學教授。「使用無氧腸道晶元，我們還可以測試藥物對人類微生物群的直接影響，然後再給人。」

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