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肠道细菌研究的新高度:哈佛大学开发人体肠道微生物器官芯片技术
2021-11-26 08:45:07
来源:文章来源于网络
我们所知道的人类微生物群相互作用,大多是基于疾病状态和粪便样本中的细菌DNA相关研究,即基因组或元基因组分析。这是因为在体外研究微生物群和人体肠组织之间的相互作用是一个艰巨的挑战,很大一部分原因是共生细菌在培养皿中只需要一天就会因为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,而这种条件会伤害人体细胞。
哈佛大学Wyss生物启发工程研究所生物启发工程研究所的研究小组Donald Ingber领导,使用器官芯片(Organic-on-a-Chip)微流体培养技术开发了一种解决这个问题的方法。他的研究小组现在可以在人体肠道芯片中培养稳定复杂的人体微生物群。该芯片与血管化的人体肠道上皮直接接触至少5天。他们建立的氧梯度可以为共生细菌感染的内皮和上皮提供高水平的氧气,同时维持肠道缺氧条件。 厌氧肠芯片在几天内稳定地保持了类似于人类粪便的微生物多样性和人类肠道组织形成的保护性生理屏障。这项研究发表在《Nature Biomedical Engineering》上。
在过去的十年里,医学界的主要范式转变意识到微生物群在健康和疾病中的巨大作用。这种新的厌氧肠芯片技术提供了一种在体外高度控制条件下研究细胞和分子水平与临床相关的人类宿主微生物群相互作用的方法。Ingber博士说他还是哈佛医学院(HMS)血管生物学教授。通过直接接触微生物群和分化的肠道组织,这种方法可以用来发现特定的微生物或其代谢产物。这些微生物或其代谢产物可能导致疾病或有助于预防这些疾病。由于我们使用患者分离细胞,这种方法也可以用于个性化药物。
早期的组织培养系统旨在重现人体微生物群与体外肠上皮细胞的相互作用。然而,由于它们不能在直接接触的情况下培养这两种成分,也不能模拟肠道中厌氧菌生存的重要低氧浓度,因此其有效性受到限制。”第一作者Sasan Jalili-Firoozinezhad说,他是Wyss研究所Ingber团队研究生也是葡萄牙里斯本大学Joaquim Cabral博士生教授。更为复杂的是:沿小肠向结肠移动,氧含量下降,这也改变了局部微生物群的组成.
厌氧肠芯片含有两个由多孔膜分离的平行微通道肠芯片。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。用于排列这些肠芯片的肠细胞要么来自细胞系统,要么来自人类回肠活检,并通过中间有机步骤扩展。在这一步中,它们形成微小的球形肠组织结构,这些结构在放入芯片中培养之前被分解成碎片。
为了适应完整的微生物群,研究小组将肠道芯片放入定制厌氧室,可以大大降低上肠道上皮细胞通道的氧浓度,保持下内皮细胞通道的正常氧浓度。
我们在两个通道中制造了氧梯度。这两个通道允许肠上皮通过多孔膜扩散获得氧气支持。Elizabeth Calamari说,她和合作者Richard Novak博士设计了这个设备。我们在肠芯片上安装了光学传感器,可以实时报告两个通道的局部氧气浓度,而不会干扰氧气梯度。
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复杂的肠道微生物群样本来自健康的人类粪便,在无菌中稳定培养(gnotobiotic)小鼠,或者从婴儿粪便中新鲜分离,然后注入上皮通道,直接接触下肠腺上皮细胞自然分泌的粘液层。更重要的是,共生菌群在低氧条件下生长的多样性保持了人体肠道观察到的丰富性。通过基因组分析,我们发现我们可以培养200多种不同的细菌几天,其丰度和专用厌氧细菌的比例与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,其细胞提供了紧密的密封和保护性粘液层,这是肠道健康的重要前提。
它可以在体外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,为个性化药物和药物测试提供机会。我们可以从同一个人身上培养特定区域的肠道组织和微生物群,找出特定致病性、炎症性和系统性疾病的敏感性或耐受性之间的关系。共同第一作者Francesca Gazzaniga博士说他是Ingber小组和共同作者Dennis Kasper博士后研究员教授。使用厌氧肠芯片,我们也可以在给人之前测试药物对人体微生物群的直接影响.
 
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