波士顿(BOSTON) - 人体微生物组，生活在体内和体内的大量微生物，深刻地影响着人类的健康和疾病。特别是人体肠道菌群，其中含有最密集的微生物，不仅可以分解营养物质，释放对我们生存至关重要的分子，而且也是许多疾病发展的关键因素，包括感染，炎症性肠病，癌症，代谢性疾病，自身免疫性疾病和神经精神疾病。
人体肠道微生物组(黄色)的细菌填充了厌氧肠片的肠上皮通道，维持肠道样低氧浓度。细菌直接附着在由肠上皮细胞产生的致密粘液层上。图片来源：哈佛大学威斯学院。
我们对人体 - 微生物组相互作用的了解大多基于使用基因组或宏基因组分析的粪便样品中所含的疾病状态和细菌DNA之间的相关性研究。这是因为研究微生物组与人体外肠组织之间的直接相互作用是一项艰巨的挑战，这在很大程度上是因为即使共生细菌在培养皿上生长的一天内也会过度生长并杀死人体细胞。肠道中的许多共生微生物也是厌氧的，因此它们需要非常低的氧气条件才能生长，这会损害人体细胞。
哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的一个研究小组由该研究所的创始主任唐纳德·英伯德领导，他利用“器官芯片”(器官芯片)微流体培养技术开发出了解决这一问题的方案。他的团队现在能够在人类肠道芯片中培养一种稳定的复杂人类微生物组，与人血管化的人肠上皮细胞直接接触至少5天，其中建立氧气梯度，为内皮和上皮提供高水平，同时保持缺氧。共生细菌栖息的肠腔内的病症。它们的“厌氧肠片”在数天内稳定地保持了与人类粪便相似的微生物多样性，并且是由人肠组织形成的保护性生理屏障。
“在过去十年中，医学的主要模式转变是认识到微生物组在健康和疾病中所起的巨大作用。这种新的厌氧性肠道芯片技术现在提供了一种在体外高度控制条件下在细胞和分子水平上研究临床相关人类宿主 - 微生物组相互作用的方法，“Ingber，MD，Ph.D。，也是Judah Folkman教授哈佛医学院血管生物学(HMS)和波士顿儿童医院血管生物学项目，哈佛大学生物工程学教授John A. Paulson工程与应用科学学院。“通过提供直接进入微生物组和分化的肠组织，
“早期的组织培养系统旨在重现体外人类微生物组与肠上皮细胞之间的相互作用，其有用性受到限制，因为它们无法使这两种成分直接接触，并且不能模拟肠道的低氧浓度。对于厌氧菌的存活，“第一作者Sasan Jalili-Firoozinezhad说，他是Wyss研究所的Ingber团队和合着者Joaquim Cabral博士之间的研究生，博士，葡萄牙里斯本大学教授。更复杂的事情：沿着小肠向结肠行进，氧气水平不断下降，这也改变了局部微生物组成。
对于他们的厌氧肠片，该团队利用其经过验证的肠道芯片，其中包含两个由多孔膜隔开的平行微通道。它们在上部通道的膜顶部培养人肠上皮细胞，在下部通道膜的另一侧培养来自肠微血管的血管内皮细胞。用于排列这些肠道芯片的肠细胞来自细胞系或来自人体回肠活组织检查，并通过中间类器官步骤扩增，其中它们形成微小的球形肠组织结构，在培养之前将其分解成片段。芯片。
为了容纳一个完整的微生物组，该团队将肠道芯片放入定制设计的厌氧室中，这使得它们能够显着降低上肠上皮通道中的氧浓度，同时保持下部内皮通道处于正常氧浓度。“我们在两个通道上产生了氧气梯度，这仍然允许肠上皮细胞通过多孔膜扩散氧气，”联合第一作者，Ingber团队的研究助理Elizabeth Calamari表示，他使用Wyss Senior Staff设计了该装置工程师兼合着者理查德诺瓦克，博士。“此外，我们为肠道芯片配备了光学传感器，可以实时报告两个通道中的局部氧气浓度，而不会干扰氧气梯度。”
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