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人造肠旨在暴露难以捉摸的微生物组

微生物组是存在于我们体内和体内的数万亿细菌的集合。每个人的微生物组都是独一无二的-就像指纹一样-研究人员正在寻找越来越多的微生物组来影响我们的健康和日常生活。一个例子涉及大脑与肠道细菌之间的明显联系。据信这种脑肠“轴”会影响诸如帕金森氏病,抑郁症和肠易激综合症等疾病。但是,由于一个主要问题:缺乏足够的可测试肠道模型,许多关于脑-肠轴的研究都陷入了停滞。

当前的测试平台无法为大规模研究足够准确且廉价地模拟人体肠道。该研究界需要一些新的东西,这是何等的团队在麻省理工学院林肯实验室通过科技厅资助的一个项目正在应对。那里的研究人员旨在创造出完美的人造肠。

“从机械方面来看,问题是,您如何模仿结肠?” 该项目的主要研究人员托德·索尔森(Todd Thorsen)说。“结肠中的细菌占据了许多生态位。”

索森(Thorsen)指的是人类肠道的复杂性,其中包括一个由100万亿个微生物组成的社区,它们都有特定的需求,有时甚至是相互冲突的需求。例如,肠道中的某些类型的细菌会在氧气存在下死亡,而其他细菌则需要生存。肠道还含有软黏液,可以使不同类型的细菌生长。所有这些条件都需要在一个平台上进行模拟,以正确维护和测试微生物组样品,而这并非易事。

人造肠包括两个集成的组件,这些组件一起工作以模拟人体肠中的天然氧气和黏膜梯度。图片来源:麻省理工学院

生物和化学技术集团的大卫·沃尔什说:“直到现在,还没有人能够培养并保存微生物组样品。” “如果我们能够维持一种文化,我们可以做一些事情,例如添加毒素和治疗方法,以观察它们如何随着时间改变文化。”

为了解决这个问题,实验室团队开发了一种由可渗透的硅橡胶和其他塑料(例如聚苯乙烯)制成的多材料平台,所有这些平台都很便宜,并且可以快速制作原型。该平台的两个组件模拟了基本的氧气和粘膜梯度。

上图(左)显示了控制氧气梯度的组件。空气通过塑料扩散,而蓝色的端口使研究人员可以改变相邻微培养室内不同位置的局部氧气浓度。右图显示了控制粘液的组件,该组件从下方进入设备。这两个组件均实现了精心设计的几何形状,以产生肠道内的精确条件。

这张照片显示了在实验室设计的管状核壳折纸肠原型。微生物样品流经设备的核心,而外环则设计用于支持人类细胞的培养。图片来源:麻省理工学院

沃尔什说:“最终的系统将使我们能够解决现实世界中的问题。” 这些问题,除了解开脑肠轴外,还包括增强对当前和新兴病原体的适应力,与生物战作斗争等等。

今年,研究团队与阿拉巴马大学伯明翰分校,东北大学和加利福尼亚大学旧金山分校合作,实施了他们的首个微生物组样本测试,以研究与帕金森氏病的联系。实验室的作用是使用人造肠培养从患有或未患有帕金森氏病的人身上采集的微生物组样本,并测试添加不同的可疑不良影响者后会发生什么。目的是关联因暴露于某些毒素引起的微生物组变化如何引起帕金森氏样神经损伤。

实验室还将继续推进该项目的其他方面。一些示例包括构建一个管状的核壳折纸状肠,该肠在组装过程中会卷起来以模拟结肠和周围的血管化组织;开发建模软件来预测微生物群落随时间的变化。

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