新聞中心
相關資訊
咨詢熱線0551-62878850
人體微生物群（microbiome）是我們體內和體表大量微生物的集合，對人類健康和疾病有著深遠的影響。尤其是人體腸道菌群，這里蘊藏著最密集的微生物，不僅分解營養物質釋放對我們生存至關重要的分子，而且是許多疾病發展的關鍵因素，包括感染、炎癥性腸病、癌癥、代謝性疾病、自身免疫性疾病和神經精神病。
我們所了解的人類微生物群相互作用，大部分是基于疾病狀態和糞便樣本中細菌DNA的相關研究，即使用基因組或元基因組分析。這是因為，在體外研究微生物群和人體腸道組織之間的相互作用是一項艱巨的挑戰，其中很大一部分原因是共生細菌在培養皿中只需一天就會因過度生長而殺死人體細胞。另外，腸道中的許多共生微生物是厭氧的，因此它們需要極低的氧氣條件才能生長，而這種條件會傷害人體細胞。
哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的一個研究小組，由該研究所的創始主任Donald Ingber領導，利用“器官芯片”（Organic-on-a-Chip）微流體培養技術，開發了一種解決這一問題的方法。他的研究小組現在能夠在人體腸道芯片中培養穩定的復雜人體微生物群，該芯片與血管化的人體腸道上皮直接接觸至少5天，他們建立的氧氣梯度，在維持腸道缺氧條件的同時可以為被共生細菌感染的內皮和上皮提供高水平的氧氣。 “厭氧腸芯片”在數天內穩定地保持著與人類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《Nature Biomedical Engineering》上。
“過去十年來，醫學界的主要范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。這種新的厭氧腸芯片技術提供了一種在體外高度控制條件下研究細胞和分子水平上與臨床相關的人類宿主微生物群相互作用的方法，”Ingber博士說，他還是哈佛醫學院（HMS）的血管生物學教授。“通過直接接觸微生物群和分化的腸道組織，該方法可用于發現特定的微生物或其代謝產物，這些微生物或其代謝產物可導致疾病或有助于預防這些疾病，并且由于我們使用患者分離細胞，該方法也可用于個性化藥物。”
“早期的組織培養系統旨在重現人體微生物群與體外腸上皮細胞之間的相互作用，但由于它們不能在直接接觸的情況下培養這兩種成分，也不能模擬腸道中對厭氧菌生存至關重要的低氧濃度，因此它們的有效性受到限制。”******作者Sasan Jalili-Firoozinezhad說，他是Wyss研究所Ingber團隊的研究生，也是葡萄牙里斯本大學Joaquim Cabral教授的博士生。“更復雜的事情是：沿著小腸向結腸移動，氧含量不斷下降，這也改變了局部微生物群的組成。”
厭氧腸芯片含有兩個由多孔膜分離的平行微通道的腸芯片。在上消化道膜的頂部生長人腸上皮細胞，在下消化道膜的對面生長血管內皮細胞。用于排列這些腸芯片的腸細胞要么來自細胞系，要么來自人類回腸活檢，并通過一個中間的有機步驟擴增，在這個步驟中，它們形成微小的球形腸組織結構，在放入芯片中培養之前這些結構被分解成碎片。
為了適應完整的微生物群，研究小組將腸道芯片放入一個定制的厭氧室中，這樣就可以大大降低上腸道上皮細胞通道中的氧濃度，同時保持下內皮細胞通道的正常氧濃度。
“我們在兩個通道中制造了氧梯度，這兩個通道允許腸上皮通過多孔膜擴散獲得氧氣支持，”合著者Elizabeth Calamari說，她與合著者Richard Novak博士一起設計了該設備。“我們在腸芯片上安裝了光學傳感器，可以實時報告兩個通道中的局部氧氣濃度，而不會干擾氧氣梯度。”
復雜的腸道微生物群樣本來自健康的人類糞便，穩定培養在無菌（gnotobiotic）小鼠中，或從嬰兒糞便中新鮮分離，然后注入位于上部的上皮通道，在那里它們直接接觸由下層腸腺上皮細胞自然分泌的粘液層。更重要的是，共生菌群在低氧條件下生長時的多樣性維持了在人體腸道中觀察到的豐富性。“我們通過基因組分析發現，我們可以培養超過200種不同的細菌群數天，其豐度和專性厭氧細菌的比率與在人類糞便中觀察到的相似。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并產生保護性粘液層，這是腸道健康的重要前提。”
能夠在體外連續數天觀察與人體腸道組織直接接觸的完整人體微生物群的組成和變化，為個性化藥物和藥物測試提供了機會。“我們可以從同一個人身上培養特定區域的腸道組織和微生物群，以發現引起對特定致病性、炎癥性和系統性疾病的敏感性或耐受性的關聯，”共同******作者Francesca Gazzaniga博士說，他是Ingber小組和共同作者Dennis Kasper教授的博士后研究員。“利用厭氧腸芯片，我們還可以在將藥物給人之前測試藥物對人體微生物群的直接影響。”
文章轉自：生物通 如有侵權聯系刪除
