新型灌流生物反应器推动肠道微生态发展

随着分子微生态学，特别是高通量测序技术的发展，人类对肠道微生物的作用有了新的突破性认识。我们现在了解到人体和动物消化道系统中生长着大量的细菌，肠道中细菌的总数量甚至高出人体细胞总数的十倍。

肠道微生物的菌群多样性受到多种因素的影响。其中环境和宿主的遗传背景在决定肠道菌群结构和组成方面各自起到 50% 的作用。而且由于外部环境在肠道菌群结构形成过程中的巨大影响，个体之间肠道菌群结构和组成极为不同。

目前的研究证明只有极少数的细菌存在于大多数人的肠道中。而个人之间菌群结构的不同反过来又直接影响到宿主的免疫系统发育和营养物质的吸收，甚至和自身免疫性疾病的产生相关。肠道微生物现在认为是人体的一个新“器官”。而肠道微生物生态的研究近十年来也受到了广泛的重视。

但是肠道微生物研究存在的重要的瓶颈在于样品的采集。对正常人来说，除了收集粪便之外，小肠、升结肠、横结肠等部位的取样几乎不现实。另一方面，由于肠道细菌受到外部环境和宿主肠道环境的双重影响，如何区分外部环境和肠道内环境对肠道菌群的作用变得十分重要。

所以，建立合理而易操作的体外模型对推动肠道微生态学、人体和动物营养学的发展非常有意义。本文就国外目前经常使用的用于肠道微生态研究的体外肠道模型做一简单介绍。

肠道模拟

>>>生物反应器<<<

问题一

什么是肠道生物反应器？

问题二

体外模拟肠道的新进展？

问题三

肠道生物反应器的实际应用？

问题四

肠道生物反应器的未来展望？

追求卓越，超越自我

案 例

2020年12月，我国研究人员利用来源于肠衰竭患儿的类器官，转移至灌流生物反应器系统中在动态条件下培养7天，构建可移植的空肠粘膜移植物。

生物反应器为此项研究中肠衰竭儿童进行特异性空肠移植提供了概念验证数据，最终有助于在移植后恢复肠道的营养自主性。

（以上案例原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41591-020-1024-z）  

空肠粘膜类器官体外种植

近日，赖斯大学和贝勒医学院的研究人员找到了一种模拟肠道条件的方法，从而为细菌感染的实时变化提供了一种机制上的模型。

微流灌注试剂盒

>>>MPC<<<

肠道

模拟

什么是肠道生物反应器？

食糜在人体和大部分单胃动物消化系统中按照口到肛门的单方向流动，所以肠道细菌在单胃动物肠道中的发酵可以看做是一种恒温连续发酵的过程。发酵工艺中连续发酵的特点和肠道发酵特点比较接近，所以通过恒化连续发酵工艺从理论上可以模拟肠道细菌发酵的自然过程。

新进展

体外模拟肠道的新进展？

赖斯布朗工程学院的生物工程师Jane Grande-Allen领导的团队开发了透明的微流灌注试剂盒（MPC），该试剂盒易于制造和操作并与常见的显微镜和生化分析设备兼容。

该试剂盒甚至可以让非生物技术人员执行通常用96孔培养皿进行的研究。试剂盒还具有用于输入和输出的微型端口，不仅允许流体流动，还允许环境采样。

这项研究由赖斯的伊莎贝尔·卡梅伦生物工程学教授，莱斯和贝勒医学博士/博士Grande-Allen所领导。校友里德·威尔逊（Reid Wilson），目前居住在俄勒冈州健康与科学大学，并出现在《生物医学工程学年鉴》上。

工程师可以用3D打印机制作的标准96孔板大小的设备模具，并将其用于形成透明的聚合物试剂盒。在mPC试剂盒上接种了人类肠道小肠类固醇（HIEs），其培养物中含有肠道上皮固有的主要细胞类型。当含有细菌的液体流过时，它会在细胞上形成生物膜，这是在静态平台上看不到的现象。

研究人员可以通过目测以及通过两端的端口采样并轻松评估细菌粘附和感染细胞的程度与进展。格兰德·艾伦说，静态设备可以使细菌及细胞过度生长，并将实验只能限制在几个小时内，但是通过mPC试剂盒内的缓慢流动可以大幅扩大观察范围，以获得更真实可靠的结果。

该测试该设备使研究人员找到了第一个直接证据，即发现在大多数传染性聚合性大肠杆菌（EAEC）上发现的聚集粘附菌毛，黏附物是细菌形成生物膜所必需的。

格兰德·艾伦说：“我们计划慢慢冲洗细菌毒素，以防止它们伤害细胞。” “这使更多的细胞得以存活，因此我们可以观察感染的过程。看到这样也极大地改变了所形成膜的性质，我们感到非常惊讶。”

该设备还通过在mPC试剂盒腔室中补充氧气和营养来保持HIE（小肠类固醇）培养目标物的生命力，从而可以更好地评估细胞与入侵病原体之间的实际相互作用，Grande-Allen说。

她说，mPC试剂盒将促进许多此类相互作用的研究。她说：“这将让我们能够检查许多不同研究及实验组合的好坏，及其动态因素（如流量，流速）会如何改变观察进程与结果。”

实际

应用

肠道生物反应器的实际应用？

赖斯大学和贝勒医学院的研究人员找到了一种模拟肠道条件的方法，从而为细菌感染的实时变化提供了一种机制上的模型。

在一项新的研究中，他们展示了一种实验室工具，该工具可以一种简便且合理的方式模拟人体肠道，使寻找传染性腹泻等疾病的治疗方法更加实用。

具体应用体现在以下三个方面：

1、肠道微生态内细菌功能和多样性的研究

正常人类肠道微生物的取样困难意味着肠道微生物研究必须做大量体外研究，这样肠道体外模型对于研究微生物对底物的反应过程非常有用。例如研究肠道细菌对碳水化合物和蛋白质的发酵利用，对类固醇和胆汁酸的代谢机制，氢的产生和去除，突变物的形成与降解以及异型代谢产物的转化等。

2、体外模拟肠道抗生素对肠道菌群变化的药效研究   

很多功能食品组份或者抗菌类药物的前期开发过程中对人体肠道细菌结构的影响都是通过体外肠道模型来进行的研究。例如在低聚果糖和菊粉的开发中，首先是采用人类肠道微生态模拟器发现了菊粉可以成比例的增加肠道内丙酸、丁酸的含量，同时提高了肠道菌群中双歧杆菌的比例。

3、微生态制剂和益生素生产研究   

常规的微生态制剂生产都采用单一菌株、批量发酵的工艺。区别于传统发酵工艺，连续发酵采用连续补料不断出料的工艺，这样有效地避免频繁上罐，减少污染，降低生产成本，产品更加稳定可靠。而且体外模拟系统可以模拟肠道内环境，这样培养出的微生态制剂的生理生化特性更接近于细菌在人体肠道内的状态，更易于在体内定植。

未来

展望

肠道生物反应器的未来展望？

1、高通量测序技术对于体外肠道模型研究的促进作用

人体内共生的微生物多达 1 000 多种，它们的基因总和称为“微生物组”，也被称为“人类元基因组”。随着测序技术的高速发展，发现人体肠道微生物的基因数量是人类自身总基因( 2 万多) 的150 倍。虽然该基因集中包含了绝大部分已知的人体肠道微生物基因，但更多的是目前未知微生物的基因。

2、利用体外肠道模型进行微生物的分离和克隆新的功能基因

元基因组测序研究结果表明，人体肠道内存在大量未培养细菌。而这些未培养细菌虽然不能在体外单独分离培养出来，却可以在体外模型中生长。可能解决未培养细菌由于体内数量过于稀少而无法测序的难题，为研究这些未培养细菌的生理、生化特性，下一步的纯化培养提供了更多的可能。

国际上许多学者已经利用体外肠道模型研究肠道菌群结构和功能，对各种食品药品的利用情况已经取得了许多成果，并且利用此发酵工艺已经应用到生产上，国内对于此领域的研究还存在很多空白，肠道体外模型在国内还有待进一步开发利用。

内容来源

Materials provided by Rice University. 

内容来源

1.     Reid L. Wilson, Sarah A. Hewes, Anubama Rajan, Shih-Ching Lin, Carolyn Bomidi, Takanori Iida, Mary K. Estes, Anthony W. Maresso, K. Jane Grande-Allen. A Millifluidic Perfusion Cassette for Studying the Pathogenesis of Enteric Infections Using Ex-Vivo Organoids. Annals of Biomedical Engineering, 2021; DOI: 10.1007/s10439-020-02705-8

整理/HunTerC

编辑/芷葳

排版/正慕

图片来源/网络（侵删）

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