人类微生物组，生活在体内和体内的大量微生物，深刻地影响着人类的健康和疾病。特别是人体肠道菌群，其中含有最密集的微生物，不仅可以分解营养物质，释放对我们生存至关重要的分子，而且也是许多疾病发展的关键因素，包括感染，炎症性肠病，癌症，代谢性疾病，自身免疫性疾病和神经精神疾病。
我们对人体 - 微生物组相互作用的了解大多基于使用基因组或宏基因组分析的粪便样品中所含的疾病状态和细菌DNA之间的相关性研究。这是因为研究微生物组与人体外肠组织之间的直接相互作用是一项艰巨的挑战，这在很大程度上是因为即使共生细菌在培养皿上生长的一天内也会过度生长并杀死人体细胞。肠道中的许多共生微生物也是厌氧的，因此它们需要非常低的氧气条件才能生长，这会损害人体细胞。
哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的一个研究小组由该研究所的创始主任唐纳德·英伯德领导，他利用“器官芯片”(器官芯片)微流体培养技术开发出了解决这一问题的方案。他的团队现在能够在人体肠道芯片中培养一种稳定的复杂人体微生物组，与人血管上皮细胞直接接触至少5天，其中建立氧气梯度，为内皮和上皮提供高水平，同时保持缺氧状态。共生细菌栖息的肠腔内的病症。它们的“厌氧肠片”在数天内稳定地保持了与人类粪便相似的微生物多样性，并且是由人肠组织形成的保护性生理屏障。自然生物医学工程。
“过去十年医学的主要模式转变是认识到微生物组在健康和疾病中发挥的巨大作用。这种新的厌氧肠道芯片技术现在提供了一种研究临床相关的人类宿主 - 微生物体相互作用的方法。体外高度控制条件下的分子水平，“Ingber，医学博士，博士，也是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授(HMS)和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及SEAS的生物工程。“通过提供直接进入微生物组和分化的肠组织，这种方法可用于发现导致疾病或可能有助于预防这些疾病的特定微生物或其代谢物，
“早期的组织培养系统旨在重现体外人类微生物组与肠上皮细胞之间的相互作用，其有用性受到限制，因为它们无法使这两种成分直接接触，并且不能模拟肠道的低氧浓度。对于厌氧菌的存活，“第一作者Sasan Jalili-Firoozinezhad说，他是Wyss研究所的Ingber团队和合着者Joaquim Cabral博士之间的研究生，博士，葡萄牙里斯本大学教授。更复杂的事情：沿着小肠向结肠行进，氧气水平不断下降，这也改变了局部微生物组成。
对于他们的厌氧肠片，该团队利用其经过验证的肠道芯片，其中包含两个由多孔膜隔开的平行微通道。它们在上部通道的膜顶部培养人肠上皮细胞，在下部通道膜的另一侧培养来自肠微血管的血管内皮细胞。用于排列这些肠道芯片的肠细胞来自细胞系或来自人体回肠活组织检查，并通过中间类器官步骤扩增，其中它们形成微小的球形肠组织结构，在培养之前将其分解成片段。芯片。
为了容纳一个完整的微生物组，该团队将肠道芯片放入定制设计的厌氧室中，这使得它们能够显着降低上肠上皮通道中的氧浓度，同时保持下部内皮通道处于正常氧浓度。“我们在两个通道上产生了氧气梯度，这仍然允许肠上皮细胞通过多孔膜扩散氧气，”联合第一作者，Ingber团队的研究助理Elizabeth Calamari表示，他使用Wyss Senior Staff设计了该装置工程师兼合着者理查德诺瓦克，博士。“此外，我们为肠道芯片配备了光学传感器，可以实时报告两个通道中的局部氧气浓度，而不会干扰氧气梯度。”
然后将从健康人粪便中获得并在无菌(gnotobiotic)小鼠中稳定培养或从婴儿粪便中新鲜分离的复杂肠道微生物组样品注射到上部上皮通道中，在那里它们与由天然分泌的粘液层直接接触。潜在的肠上皮细胞。更重要的是，当在这些低氧条件下生长时，共生细菌群体的多样性保持了在人肠中观察到的丰富性。Jalili-Firoozinezhad说：“我们通过基因组分析显示，我们可以培养超过200种不同的细菌群，持续数天，其中专性厌氧菌的数量和比例与人体粪便中观察到的相似。”“重要的，
能够在体外和数天内观察与人体肠道组织直接接触的完整人类微生物组的组成和变化，为个性化医学和药物测试提供了机会。“我们可以培养来自同一个体的区域特异性肠组织和微生物组，以找到对特定致病，炎症和全身性疾病产生敏感性或耐受性的关联，”共同第一作者Francesca Gazzaniga博士说道。 Ingber小组与合着者Dennis Kasper医学博士，HMS免疫学教授共同担任博士后研究员。“使用无氧肠道芯片，我们还可以测试药物对人体微生物组的直接影响，然后再将其传递给人们。”
该研究的其他作者和Ingber集团的前成员以及Wyss研究所的工作人员，包括高级信息学科学家Diogo Camacho博士，博士。临床研究员Cicely Fadel，医学博士，博士;博士后研究员Amir Bein，博士;研究助理Ben Swenor，Michael Cronce和Bret Nestor;研究生Alessio Tovaglieri;前职员科学家Oren Levy，博士，工商管理硕士;以及布莱根妇女医院妇女和新生儿健康执行主任，Katherine Gregory博士，RN;和David Breault，医学博士，博士，HMS和波士顿儿童医院副教授。该研究由哈佛大学Wyss生物启发工程研究所，葡萄牙自然科学基金会(FCT)，美国联邦药物管理局，DARPA'资助。