一种模拟人类肠道复杂微生物群环境的新设备

　　

　　

　　人类肠道中生活着数千种细菌。其中一些与疾病有关，而另一些则对人类健康有益。弄清楚每一种细菌的确切作用可能很困难，因为它们中的许多不能在实验室研究中使用人体组织培养。

　　对于那些不能在富氧环境中生存的物种来说，这种困难尤其明显。然而，麻省理工学院的生物和机械工程师现在设计了一种专门的设备，他们可以在复制结肠内壁的组织中培养这些不耐氧细菌，使它们存活长达四天。

　　利用这个系统，研究人员展示了他们可以培养一种叫做Faecalibacterium prausnitzii的细菌，这种细菌生活在人类肠道中，可以防止炎症。他们还表明，这些在克罗恩病患者体内经常减少的细菌，似乎通过释放一种叫做丁酸盐的脂肪酸来发挥许多保护作用。

　　格里菲斯和麻省理工学院机械工程教授大卫·特朗普是这项研究的资深作者，该研究今天发表在《医学》杂志上。麻省理工学院博士后张建波和黄玉佳是该论文的主要作者。

　　格里菲斯说，人类肠道复杂的微生物群环境很难用老鼠等动物来模拟，部分原因是老鼠的饮食与人类非常不同。

　　她说:“我们从老鼠和其他动物模型中学到了很多东西，但它们之间存在很多差异，尤其是在肠道微生物群方面。”

　　大多数生活在人类肠道中的细菌都是厌氧的，这意味着它们不需要氧气来生存。其中一些细菌可以忍受低水平的氧气，而另一些细菌，如不能在氧气暴露中存活，这使得在实验室研究它们变得困难。一些研究人员设计了一种装置，可以让人类结肠细胞和耐受低氧水平的细菌一起生长，但这些装置对其他高度不耐氧的微生物不起作用。

　　为了克服这个问题，麻省理工学院的研究小组设计了一种设备，使他们能够精确控制系统每个部分的氧气水平。他们的装置包含一个通道，通道上覆盖着人类结肠粘膜屏障的细胞。在这些细胞下面，营养物质被泵入以保持细胞存活。底层是富氧的，但氧气浓度在粘膜细胞层的顶部下降，类似于人类结肠内部的情况。

　　就像在人类结肠中一样，通道中的屏障细胞分泌一层致密的粘液。麻省理工学院的研究小组表明，这种细菌可以在黏液的外层形成细胞云，并在液体流过的无氧环境中存活长达四天。这种液体也含有微生物所需的营养物质。

　　利用这个系统，研究人员能够证明它确实影响了与炎症有关的细胞通路。他们观察到这种细菌会产生一种叫做丁酸盐的短链脂肪酸，这种脂肪酸以前被证明可以减少炎症。在丁酸盐水平上升后，粘膜细胞显示出NF κ b通路活性的降低，这种降低可以平息炎症。

　　“总的来说，这条通路已经减少了，这与人们在人类身上看到的非常相似，”张说。“似乎细菌正在使哺乳动物细胞脱敏，使其不会对外部环境的危险做出过度反应，因此炎症状态正在被细菌平静下来。”

　　患有克罗恩病的患者通常有较低的细菌水平，而这些细菌的缺乏被认为是导致这些患者炎症过度活跃的原因。

　　当研究人员将丁酸盐添加到没有细菌的系统中时，它并没有产生他们在有细菌存在时所看到的所有效果。这表明细菌的一些影响可能通过其他机制发挥作用，研究人员希望进一步研究。

　　研究人员还计划使用他们的系统来研究当他们添加被认为在克罗恩病中起作用的其他种类的细菌时会发生什么，以试图进一步探索每种细菌的影响。

　　他们还计划与马萨诸塞州总医院(Massachusetts General Hospital)儿科胃肠病学和营养科主任阿莱西奥·法萨诺(Alessio Fasano)合作进行一项研究，从乳糜泻和其他胃肠道疾病患者身上培养粘膜组织。这种组织可以用来研究不同遗传背景的细胞中微生物引起的炎症。

　　格里菲斯说:“我们希望获得新的数据，显示微生物和炎症是如何与宿主的遗传背景一起起作用的，看看是否有一些人比其他人更容易受到微生物对粘膜屏障的干扰。”

　　她还希望使用该设备来研究其他类型的粘膜屏障，包括女性生殖道的粘膜屏障，如子宫颈和子宫内膜。