人体微生物体(microbiome)是体内和体表大量微生物的集合,对人类健康和疾病有显著的影响力。大部分的研究主要是透过分析疾病患者和其粪便样本的基因体和总体基因体(metagenomic),来探讨细菌人类微生物体交互作用研究。因为,在体外研究微生物体和人体肠道组织之间的交互作用是一项艰钜的挑战,其中很大一部分原因是共生细菌在培养皿中只需一天就会因过度生长而杀死人体细胞。另外,肠道中的许多共生微生物是厌氧的,因此它们需要极低的氧气条件才能生长,而该条件会伤害人体细胞。
近日,由哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所创所所长 Donald Ingber 所率领的研究团队透过器官芯片(Organic-on-a-Chip)微流体培养技术,开发一种能解决上述问题的方法。他们能够在人体肠道芯片中培养稳定的人体微生物体,该芯片与血管化的人体肠道上皮直接接触至少 5 天,然后他们建立氧气梯度,能在肠道缺氧时,提供被共生细菌感染的内皮和上皮高量氧气。“厌氧肠芯片”(Anaerobic Intestine Chip)在数天内稳定地保持着与人类粪便相似的微生物多样性,以及由人类肠道组织形成的保护性生理屏障。该研究发表在《Nature Biomedical Engineering》。
该厌氧肠芯片由二个多孔膜分离的平行微通道的肠芯片组成,它在上消化道膜的顶部生长人肠上皮细胞,在下消化道膜的对面生长血管内皮细胞。用于排列该肠芯片的肠细胞分别来自细胞株和人类回肠生物检体,并透过一个中间的有机步骤进行扩增。同时,它们形成微小的球形肠组织结构,在放入芯片中培养之前该结构被分解成碎片。
随后,为了适应完整的微生物群,他们将肠道芯片放入一个定制的厌氧室中,以大幅降低上肠道上皮细胞通道中的氧气浓度,同时保持下内皮细胞通道的正常氧浓度。复杂的肠道微生物体样本来自健康的人类粪便,稳定培养在无菌(gnotobiotic)小鼠中,或从婴儿粪便中新鲜分离,然后注入位于上部的上皮通道,在那里它们直接接触由下层肠腺上皮细胞自然分泌的黏液层。他们也透过基因体分析发现,培养超过 200 种不同的细菌体数天,其丰度和专性厌氧细菌的比率与在人类粪便中观察到的相似。重要的是,完整的微生物群进一步增强了肠上皮的屏障功能,其细胞提供紧密的密封并产生保护性黏液层,这是肠道健康的重要前提。
该研究芯片也为益生菌、个人化药物开发提供了一个重要平台,因为它能够在体外连续数天观察与人体肠道组织直接接触的完整人体微生物群的组成和变化。未来可在芯片培养特定区域的肠道组织和微生物群,以发现引起对特定致病性、发炎性和系统性疾病的敏感性或耐受性的关联性。
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1. Nature Biomedical Engineering, May 13, 2019; DOI: 10.1038/s41551-019-0397-0
2. https://wyss.harvard.edu/human-gut-microbiome-physiology-can-now-be-studied-in-vitro-using-organ-chip-technology/
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