用于微生物組研究的人造腸道

日期：2016-05-31 09:01:05

微生物存在于人體、植物、土壤、海洋等各種環境中，這些微生物群落的集合被稱為微生物組。近年來，微生物組研究成為一個熱門，去年10月份，Science和Nature兩大期刊同時發文，倡議開展浩大的微生物組研究，以理解和利用微生物組——棲息在多種多樣生態系統（如人類腸道和海洋）的微生物群落，來改善人類健康、農業、生物能源和環境。今年5月份，美國白宮宣布啟動“國家微生物組計劃”，這是奧巴馬政府繼腦計劃、精確醫學、抗癌“登月”之后推出的又一個重大國家科研計劃。

近期，有研究人員制備了一種新的體外模型，使微生物組研究超越了種群豐度相關性，并朝著“調查宿主-微生物相互作用的分子機制”這條道路邁進。

令人興奮的是，最近許多研究將腸道微生物和人類健康聯系起來。這些研究大多數都依賴于宏基因組分析，來推斷微生物物種的相對豐度和不同健康狀態之間的聯系。雖然提供了豐富的主要信息，但是這些結果并不能確定一種疾病的原因，只是指出了一種相關性。為了確定原因，研究人員需要通過用實驗方法，操縱不同的變量，以試圖梳理分析宿主-微生物相互作用的細節——這些實驗不能輕易地在動物身上完成。

現在，盧森堡大學的研究人員在《Nature Communications》雜志上報道了一種新的人類腸道微流體模型，稱為HuMiX，可模擬腸道的條件和流程，從而讓我們對影響人類-微生物相互作用的變量進行系統的操縱。這項研究的資深作者Paul Wilmes在一份新聞稿中說：“利用HuMiX，我們可以實時觀察到細菌與人類腸道細胞交流時的相互作用。我們也可以研究那些利用現有實驗方法難以接近的過程。”

Wilmes的研究小組設計了HuMiX，其具有三個隔離層，第一層用于灌注基質，第二層用于人類上皮細胞培養，第三層用于培養微生物。這些隔離層是由多孔膜分開的，這種多孔膜模仿健康上皮細胞層，每一層都有進水口和出水口，以操縱培養基的物理化學參數。該設備還包含氧傳感器，并能容納一個電極來測量經上皮電阻，用以描述細胞的生長和分化。

研究人員對設備內的共培養條件進行優化，用于有氧和厭氧條件，研究人員通過利用該設備重復了以前公布的人類和動物實驗，并比較了由此產生的轉錄組和代謝產物，證明HuMiX能夠概括正常的腸道反應。根據Wilmes介紹，在所有情況下，數據都顯示出了強勁的一致性。

在驗證“該設備可作為一個優秀的人類腸道模型”的過程中，該研究團隊對來自themulti-omics研究的一些數據變得非常好奇。特別是，腸道上皮細胞與乳酸菌的共培養，可導致多個miRNA的表達發生改變，包括一些目前用于胃腸道癌癥的生物標志物。因此，研究人員建議，HuMiX可能促進生物標記物的鑒定，并促進微生物組為基礎的療法的測試。

采用這個新系統研究人員也揭示出了其他微生物的相互作用。本研究第一作者Pranjul Shah說：“在腸細胞和乳桿菌某一菌株的共培養中，我們發現，神經系統一個信使的產生，特別是神經遞質γ-氨基丁酸（GABA），在腸道細胞中是受到刺激的，從而表明腸道可能通過一種機制與大腦交流。”這個觀察結果打開了“使用HuMiX來研究腸腦軸”的可能性。

雖然Wilmes的研究小組開發的HuMiX是用于研究宿主微生物相互作用，但是該設備用于篩選藥物和調查藥物動力學和營養學，應該也是很有價值的。Wilmes說：“利用HuMiX，我們現在還可以分析益生菌、膳食化合物或影響人類生理學的藥物。我們希望看到這些療法如何需要完善的具體指標，以為了將來更好地工作。”