波士顿)-人体微生物组，即生活在体内和体内的大量微生物，对人类健康和疾病有着深远的影响。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，释放我们生存所必需的分子，而且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。

人体肠道微生物区系的细菌(黄色)充满厌氧肠片的肠上皮通道，维持肠道样缺氧浓度。细菌直接附着在肠上皮细胞产生的致密粘液层上。图片来源：哈佛大学韦斯学院。

我们对人类-微生物组相互作用的大多数理解是基于疾病状态和通过基因组或宏基因组分析的粪便样本中细菌DNA之间的相关性。这是因为研究微生物组和人类肠道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是共生细菌也会在培养皿上生长一天内过度生长并杀死人类细胞。

肠道内的很多共生微生物也是厌氧的，所以需要非常低氧的条件才能生长，这样会损伤人体细胞。

哈佛大学Wyss生物灵感工程研究所的一个研究团队由该研究所的创始主任唐纳德因伯德(Donald Inbird)领导，他利用“器官芯片”的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类肠道芯片中培养稳定而复杂的人类微生物组，并与人类血管化的人类肠道上皮细胞直接接触至少5天，其中建立了氧梯度，以在维持缺氧的同时为内皮和上皮提供高水平。

共生细菌栖息的肠腔疾病。它们的“厌氧肠片”在数天内稳定保持了与人类粪便相似的微生物多样性，是人类肠道组织形成的保护性生理屏障。

“在过去十年中，医学的主要模式变化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方法，在体外高度控制的条件下，在细胞和分子水平上研究临床相关的人类宿主-微生物组相互作用

他还是哈佛医学院血管生物学(HMS)教授和波士顿儿童医院血管生物学项目教授，以及哈佛大学约翰a保尔森工程和应用科学学院生物工程教授。“通过直接接触微生物群和分化的肠组织，

“早期的组织培养系统是为了在体外重现人类微生物群和肠道上皮细胞之间的相互作用而设计的，由于无法直接接触这两种成分，也无法模拟肠道中的低氧浓度，因此其实用性受到了限制。”至于厌氧菌的存活，”第一作者Sasan Jalili-Firoozinezhad说，他是Wyss研究所Ingber团队和合著者Joaquim Cabral博士之间的葡萄牙里斯本大学的研究生、博士和教授。

更复杂的事情：氧气水平沿着小肠到结肠在降低，这也改变了当地的微生物组成。

对于他们的厌氧肠片，该团队使用了其成熟的肠芯片，其中包含两个由多孔膜分隔的平行微通道。他们在上通道的膜顶部培养人肠上皮细胞，在下通道的膜另一侧培养来自肠微血管的血管内皮细胞。用于排列这些肠芯片的肠细胞来自细胞系或来自人回肠活检，通过中间器官样步骤进行扩增，在其中形成微小的球形肠组织结构，在培养前分解成碎片。

芯片。

为了容纳一个完整的微生物群，研究小组将肠道芯片放入一个定制设计的厌氧室中，这使它们能够显著降低上肠道上皮通道中的氧浓度，同时保持下内皮通道处于正常的氧浓度。

“我们在两个通道中创建了氧气梯度，这仍然允许肠上皮细胞通过多孔膜扩散氧气，”Ingber团队的共同主要作者和研究助理伊丽莎白卡拉马里(Elizabeth Calamari)和工程师兼共同作者理查德诺瓦克(Richard Novak)说，Ingber团队使用Wyss高级员工设计了该设备。“此外，我们还为肠道芯片配备了光学传感器，可以在不干扰氧梯度的情况下，实时报告两个通道中的局部氧浓度。”