Nature子刊 | 在厌氧肠道芯片上培养复杂人类肠道微生物群
推荐：江舜尧
编译：杜如冰
编辑：董小橙
美国牛津大学的Sasan Jalili-Firoozinezhad等人于2019年5月13日在《Nature Biomedical Engineering》发表题目为《A complex human gut microbiome cultured in an anaerobic intestine-on-a-chip》的文章，该论文为研究原位系统中人类肠道与微生物之间的相互作用提供新视角。
文章摘要
研究背景：最近医学研究证明人体微生物与人类的健康和疾病息息相关，其中微生物含量最多和多样性最丰富的是肠道系统。包括耗氧和厌氧在内的微生物在宿主正常营养吸收、药物代谢和免疫反应中发挥着重要的作用。因此，建立和维持宿主-肠道微生物群之间的平衡互作关系是维持肠道稳态和人类健康的关键因素。虽然现在已经构建了动物模型用来分析宿主与微生物之间的相互作用，但是目前没有合适的人体原位系统用来验证这些相互作用，例如微生物与人体细胞对氧气的不同需求等。
结果：本研究在Caco2 Intestine Chips基础上添加微型氧传感器，实现实时调控和检测氧气浓度。将芯片放置在一个厌氧小室中，可实现在人体上皮细细胞层两侧建立一种氧浓度梯度来模拟人体肠道环境，在维持肠道环境缺氧条件的同时可以给人体肠道上皮细胞提供较高水平的氧气供应，即本装置可同时满足人体上皮细胞和肠道微生物对氧气的不同需求。本研究中通过接种严格厌氧菌Bacteroides fragilis(strain NCTC 9343)验证了该装置对氧气含量的控制能力。本研究选择来自健康人体粪便样本的微生物菌群作为验证对象，同时接种到本研究提供的新型肠芯片和无菌小鼠肠道中，高通量测序结果显示主要细菌门的相对丰度非常相似；为进一步测试本研究所提供的装置在肠道菌群共培养中的适用性，将新鲜人体粪便（刚出生婴儿粪便）接种到该装置中，结果显示在本研究所提供的装置中可以长时间维持肠道上皮细胞和微生物群落共生关系(至少5天)，并且通过高通量测序发现该装置培养出来的微生物菌群具有较高的丰富度，未来可应用到个性化医疗研究中。
主要结论：本研究提供了一种可以体外模拟人体肠道环境的芯片装置，为以后与肠道微生物相关的研究，如医疗、益生菌开发、营养药品功能验证，提供了实用性工具。
文中主要图片说明
图1 氧敏感人类肠道芯片微流控培养装置。a：具有氧梯度(彩色比例尺)的双通道微流控器芯片装置的原理图；b：肠道芯片示意图，六个微型氧传感器嵌入在顶部和底部通道的入口、中部和出口处；c：位于肠道芯片内的微型氧传感器敏感性分析；d：不同氮气流速下的厌氧室中氧气含量测定；e：显微镜图像显示人类Caco2肠道上皮细胞绒毛形态（左）和血管内皮（右）；f：厌氧和耗氧培养条件下，肠道芯片中氧浓度的分布特征。
图2 在肠道芯片上共培养人类上皮细胞和B. fragilis。a：在厌氧和耗氧培养条件下，氧气浓度变化；b：在厌氧条件下，利用共聚焦显微镜拍摄肠道上皮细胞与微生物组界面代表照片；c：在厌氧和耗氧条件下，与B. fragilis共培养后Papp值的差异；d：在厌氧和耗氧条件下，B. fragilis的CFU数量（每毫升）；e：横断面荧光显微镜观察Caco2上皮细胞；f：肠道芯片上Caco2上皮细胞顶端表面的SEM图。
图3 在厌氧和耗氧条件下，经过在肠道芯片中培养的微生物群落多样性以及相对丰度。a：厌氧和耗氧条件下，微生物菌群的α多样性；b：厌氧和耗氧条件下，不同微生物的相对丰度（属水平）；c：厌氧和耗氧条件下，与肠道微生物共培养后Papp值的差异；d：肠道芯片样品和人体微生物组粪便样品之间的微生物丰度差异。
图4 在厌氧条件以及耗氧和传统液体培养条件下，多个微生物属的生长状况比较。a：微生物相对丰度差异（属水平）在不同培养天数和不同培养条件；b：在相同培养天数下，厌氧和耗氧条件下微生物相对丰度差异（属水平）。
图5 从新鲜人类粪便中提取的肠道微生物群与肠芯片中的人类回肠上皮细胞进行厌氧共培养。a、b：显微镜下显示回肠上皮细胞在厌氧条件下培养5天的绒毛形态；c：与肠道微生物共培养5天内Papp值的变化特征
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