器官芯片解释了肠道细菌如何影响神经系统疾病

为了帮助研究人员更好地理解肠脑轴（gut-brain axis），麻省理工学院的研究人员开发出一种器官芯片，能够复制大脑、肝脏与结肠之间的相互作用。

我们的大脑与消化道在许多方面紧密相连。在你紧张的时候，你可能会觉得胃疼，而肠道发出的饥饿信号又会让你感到烦躁。为了帮助研究人员更好地理解肠脑轴（gut-brain axis），麻省理工学院的研究人员开发出一种器官芯片，能够复制大脑、肝脏与结肠之间的相互作用。

利用这一系统，研究人员能够模拟生活在肠道中的微生物对健康大脑组织和帕金森病患者的组织样本的影响。他们发现，肠道中微生物产生的短链脂肪酸被运送到大脑中，对健康和患病的脑细胞产生了不同的影响。这项成果于1月29日发表在《Science Advances》杂志上。

麻省理工学院的博士后Martin Trapecar表示：“虽然短链脂肪酸在很大程度上有益于人类健康，但根据我们的观察，它们在某些条件下会进一步加重某些脑部疾病，比如与帕金森病有关的蛋白错误折叠和神经元死亡。”文章的通讯作者是麻省理工学院的Linda Griffith和怀特黑德生物医学研究所的Rudolf Jaenisch教授。

Griffith教授的实验室近年来一直在开发微型生理系统，这种小型设备上布满了微流体通道，可培养不同器官的工程化组织模型。在去年发表的一篇论文中，Griffith和Trapecar利用微型生理系统来模拟肝脏和结肠之间的相互作用。

在这项新的研究中，研究人员决定将大脑和循环免疫细胞添加到他们的多器官系统中。大脑与消化道之间有许多相互作用，这可以通过肠道神经系统发生，也可以通过免疫细胞、营养物和激素在各个器官之间的循环而发生。

几年前，加州理工学院的Sarkis Mazmanian教授曾发现，短链脂肪酸与小鼠帕金森病之间存在关联。他表明，细菌产生的短链脂肪酸会加速疾病的发展，而在无菌环境中饲养的小鼠则进展缓慢。麻省理工学院的研究人员决定进一步探索Mazmanian教授的发现。

大约两成的帕金森病患者是由遗传原因引起的。麻省理工学院的研究人员使用的细胞携带了一个突变，该突变会导致α-突触核蛋白的积累，从而损害神经元并引起脑细胞炎症。Jaenisch的实验室则产生了突变纠正后的细胞，这种细胞与患病细胞在遗传上是相同的，并且来自同一名患者。

随后，研究人员利用通道将脑细胞与结肠和肝脏的组织模型相连，这些通道允许免疫细胞和营养物（包括短链脂肪酸）在它们之间流动。他们发现，对于健康脑细胞而言，接触短链脂肪酸是有益的，可帮助它们成熟。然而，当帕金森病患者的脑细胞接触到短链脂肪酸时，这种有益作用就消失了。相反，它们出现了更高水平的蛋白错误折叠和细胞死亡。

研究人员认为，这种新颖的人类组织模型能够产生动物模型无法获得的信息。Trapecar表示：“短链脂肪酸似乎可以通过影响脂质代谢而与神经退行性疾病相关联。现在，我们的目标是设法了解这一点。”他们还计划对其他类型的神经系统疾病进行建模。

参考文献：
Human physiomimetic model integrating microphysiological systems of the gut, liver, and brain for studies of neurodegenerative diseases