建模人类肠道微生物的新工具

数千个品种的细菌生活在人类肠道。其中一些与疾病相关联,而其他人则对人体健康有益的影响。弄清楚每一个细菌的精确作用是困难的,因为许多人不能生长在实验室研究使用人体组织。

这个困难尤为明显的物种不能住在富氧环境。然而,麻省理工学院生物和机械工程师已经设计了一个专门的设备,他们可以种植这些oxygen-intolerant细菌在复制结肠粘膜组织,使他们能够生存长达四天。

“我们认为这是非常重要的社区提供一个工具可以用于这个极端的例子,”琳达·格里菲斯说,工程学院的教授在麻省理工学院生物工程系教学创新。“我们显示,你可以种植这些非常挑剔的生物,我们可以研究它们对人类结肠的影响。”

使用这个系统,研究人员发现,他们可以生长的细菌称为Faecalibacterium prausnitzii,生活在人类肠道,防止炎症。他们还显示,这些细菌,通常患者减少克罗恩病,似乎对他们的许多保护作用通过发布一个名为丁酸的脂肪酸。

格里菲斯大卫喇叭,麻省理工学院的机械工程教授,这项研究的资深作者,今天出现在杂志上地中海。麻省理工学院博士后简帛张和Yu-Ja黄是论文的主要作者。

氧气敏感性

人类肠道的复杂的微生物环境很难使用动物,如老鼠模型,部分是因为老鼠与人类截然不同的饮食,格里菲斯说。

“我们学到大量从老鼠和其他动物模型,但有很多差异,特别是肠道微生物组的时候,”她说。

大部分的细菌生活在人类肠道厌氧,这意味着他们不需要氧气才能生存。这些细菌可以容忍低水平的氧气,而其他的,如f . prausnitzii,无法生存的氧气接触,这使得它难以在实验室中研究它们。一些研究人员设计的设备,他们可以增长人类结肠细胞随着细菌耐受低氧的水平,但这些不适合f . prausnitzii和其他高度oxygen-intolerant微生物。

为了克服这一点,麻省理工的团队设计了一个装置,使他们能够精确地控制氧含量在系统的每个部分。他们的设备包含一个通道,是涂有细胞从人类结肠的粘膜屏障。下面这些细胞,营养泵在保持细胞存活。这个底层是富氧,但氧气的浓度减少粘膜细胞层的顶部,类似于在人类结肠癌的内部发生了什么。

一样在人类结肠癌、屏障通道细胞分泌粘液的致密层。麻省理工团队显示f . prausnitzii可以形成云的细胞外层的粘液和生存长达四天,使氧的环境中流体流动在它。这种液体还含有微生物的营养物质。

使用这个系统,研究人员能够证明f . prausnitzii影响细胞通路参与炎症。他们观察到细菌产生短链脂肪酸丁酸,曾被证明能减少炎症。丁酸水平上升后,粘膜细胞显示减少的活动路径称为NFκb减少平静炎症。

“总的来说,这个途径已经减少,这是类似于人类,人们看到了“张医生说。“细菌似乎减感作用的哺乳动物细胞不反应过度的危险在外部环境中,炎症状态是被细菌平静下来。”

克罗恩病的患者常常有水平的降低f . prausnitzii,缺乏这些细菌假设导致过度的炎症患者。

当研究者丁酸盐添加到系统,没有细菌,它没有生成所有的影响时,他们看到有细菌存在。这表明,一些细菌通过其他机制可能施加的影响,研究人员希望能进一步调查。

微生物和疾病

研究人员还计划用他们的系统来研究当他们添加其他种类的细菌被认为扮演一个角色在克罗恩氏病,试图进一步探索每一物种的影响。

他们还计划研究中,与塞法,处长的马萨诸塞州综合医院儿科胃肠病学和营养,增长从乳糜泻患者粘膜组织和其他胃肠道功能紊乱。这个组织可以用来研究microbe-induced炎症细胞具有不同的遗传背景。

“我们希望得到新的数据,将展示细菌和炎症与宿主的遗传背景,是否有可能有遗传易感性的人有干扰微生物粘膜屏障比别人多一点,”格里菲斯说。

她还希望利用该装置研究其他类型的粘膜屏障,包括女性的生殖系统,如子宫颈和子宫内膜。