科學家開發出一種能模擬人類腸道微生物組行為和作用機制的新系統

2020-08-25 生物谷

人類腸道中生存著幾千種細菌，其中一些腸道菌群與人類疾病發生相關，而其它則對人類健康有著有益的影響，然而想要弄清楚每一種細菌扮演的確切角色是非常困難的，因為很多腸道菌群都無法利用人體組織在實驗室中進行培養；而對於那些無法在富含氧氣的環境中生存的物種而言，這種困難尤其明顯，如今，來自MIT的生物和機械工程師們通過研究設計了一種專門的裝置，其就能夠促進對氧氣不耐受的細菌在結腸內壁組織中繁殖，同時其存活天數也能長達4天時間。

圖片來源：Jianbo Zhang

來自MIT的研究人員Linda Griffith表示，開發一種能在極端情況下使用的工具真的非常重要，如今研究人員就能培養出一些對生長環境非常挑剔的微生物，同時也能研究這些微生物對人類結腸所產生的影響；利用這種特殊系統，研究人員就能培育出一種名為柔嫩梭菌群（Faecalibacterium prausnitzii）的腸道共生菌，其能在人類腸道中生存並保護機體抵禦炎症，這種細菌經常會在克羅恩病患者體內減少，而且其還會通過釋放一種名為丁酸的脂肪酸來發揮保護性效應。

研究者表示，人類腸道中複雜的微生物組很難利用諸如小鼠等動物來建模，部分原因是小鼠的飲食習慣與人類截然不同，研究人員從小鼠和其它動物模型中學到了大量知識，其之間有很多不同之處，特別是在腸道微生物組方面；生活在人類腸道中的大部分腸道菌群都是厭氧的，這意味著這些細菌並不需要氧氣來生存，有些細菌能對低氧耐受，而諸如柔嫩梭菌等腸道菌群則無法在氧氣暴露的環境中生存，這就使得研究人員很難在實驗室對其進行研究；如今有些研究人員設置了一些特殊裝置，其就能促進人類結腸細胞與對低氧耐受的細菌一起生長，但這種裝置對柔嫩梭菌和其它對高水平氧氣並不耐受的細菌或許並不適用。

為了克服這個問題，研究人員設計出了一種裝置，其能幫助他們精準控制系統中每個部分的氧氣水平，該設備包含一個通道，其能被來自人類結腸黏膜屏障的細胞所包被，在這些細胞下面，營養物質會被泵入從而維持細胞的活力，細胞底層富含氧氣，但在黏膜細胞層頂部，氧氣的濃度會下降，這就類似於人類結腸內部所發生的情況。正如在人類結腸中的那樣，通道中的屏障細胞會分泌出一層密集的粘液，研究者發現，柔嫩梭菌能在這層粘液的外層形成「細胞雲」，並能存活長達4天時間，而其環境是通過流經它的液體來保持無氧狀態的，此外，這種液體中還含有微生物所需的營養物質。

圖片來源：Jianbo Zhang

利用該系統，研究人員就發現，柔嫩梭菌會影響參與炎症的細胞通路，該菌會產生一種名為丁酸的短鏈脂肪酸，此前有研究發現丁酸能夠減輕機體炎症，當丁酸水平上升後，黏膜中名為NF kappa B的信號通路的活性就會下降，這就能夠有效減緩炎症表現。研究者Zhang說道，總而來講，這種通路的活性下降了，這與其在人體中的狀況非常相似，這似乎就表明，細菌會使得哺乳細胞脫敏，從而並不會對外界環境的危險做出過度反應，所以機體的炎症狀態會被細菌所減緩。

克羅恩病患者體內的柔嫩梭菌的水平會下降，而缺乏這種細菌被認為是誘發患者機體過度炎症表現的主要原因；當研究人員將丁酸加入到系統中後，如果沒有細菌存在的話，丁酸並不會產生細菌存在時所發生的效應，這就說明，細菌所發揮的某些作用或許會通過一些其他幾隻來發揮，後期研究人員還將進一步研究闡明。下一步研究人員計劃利用新開發的系統來研究當加入其它在克羅恩病發病中扮演關鍵角色的細菌時會發生什麼，從而來解析每一種細菌所產生的效應。

此外，研究人員還希望通過聯合研究在乳糜瀉和其它胃腸道疾病患者機體中培植黏膜組織，隨後利用這些組織來研究不同遺傳背景下細胞中所發生的微生物所誘發的炎症表現；研究者Griffith表示，我們希望能夠獲得新的數據來揭示微生物和炎症如何與宿主的遺傳背景相互作用，從而來分析是否一部分人群會更容易受到微生物對黏膜屏障的幹擾；此外，研究人員還希望利用這種新型設備來研究其它類型的黏膜屏障，包括女性的生殖道，比如子宮頸和子宮內膜等。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

A new tool for modeling the human gut microbiome

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