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开发出一种能够模拟人类肠道微生物组行为和作用机制的新系统

来源:本站原创 2020-08-18 22:44

2020年8月19日 讯 /生物谷BIOON/ --人类肠道中生存着几千种细菌,其中一些肠道菌群与人类疾病发生相关,而其它则对人类健康有着有益的影响,然而想要弄清楚每一种细菌扮演的确切角色是非常困难的,因为很多肠道菌群都无法利用人体组织在实验室中进行培养;而对于那些无法在富含氧气的环境中生存的物种而言,这种困难尤其明显,如今,来自MIT的生物和机械工程师们通过研究设计了一种专门的装置,其就能够促进对氧气不耐受的细菌在结肠内壁组织中繁殖,同时其存活天数也能长达4天时间。

图片来源:Jianbo Zhang

来自MIT的研究人员Linda Griffith表示,开发一种能在极端情况下使用的工具真的非常重要,如今研究人员就能培养出一些对生长环境非常挑剔的微生物,同时也能研究这些微生物对人类结肠所产生的影响;利用这种特殊系统,研究人员就能培育出一种名为柔嫩梭菌群(Faecalibacterium prausnitzii)的肠道共生菌,其能在人类肠道中生存并保护机体抵御炎症,这种细菌经常会在克罗恩病患者体内减少,而且其还会通过释放一种名为丁酸的脂肪酸来发挥保护性效应。

研究者表示,人类肠道中复杂的微生物组很难利用诸如小鼠等动物来建模,部分原因是小鼠的饮食习惯与人类截然不同,研究人员从小鼠和其它动物模型中学到了大量知识,其之间有很多不同之处,特别是在肠道微生物组方面;生活在人类肠道中的大部分肠道菌群都是厌氧的,这意味着这些细菌并不需要氧气来生存,有些细菌能对低氧耐受,而诸如柔嫩梭菌等肠道菌群则无法在氧气暴露的环境中生存,这就使得研究人员很难在实验室对其进行研究;如今有些研究人员设置了一些特殊装置,其就能促进人类结肠细胞与对低氧耐受的细菌一起生长,但这种装置对柔嫩梭菌和其它对高水平氧气并不耐受的细菌或许并不适用。

为了克服这个问题,研究人员设计出了一种装置,其能帮助他们精准控制系统中每个部分的氧气水平,该设备包含一个通道,其能被来自人类结肠粘膜屏障的细胞所包被,在这些细胞下面,营养物质会被泵入从而维持细胞的活力,细胞底层富含氧气,但在粘膜细胞层顶部,氧气的浓度会下降,这就类似于人类结肠内部所发生的情况。正如在人类结肠中的那样,通道中的屏障细胞会分泌出一层密集的粘液,研究者发现,柔嫩梭菌能在这层粘液的外层形成“细胞云”,并能存活长达4天时间,而其环境是通过流经它的液体来保持无氧状态的,此外,这种液体中还含有微生物所需的营养物质。

图片来源:Jianbo Zhang

利用该系统,研究人员就发现,柔嫩梭菌会影响参与炎症的细胞通路,该菌会产生一种名为丁酸的短链脂肪酸,此前有研究发现丁酸能够减轻机体炎症,当丁酸水平上升后,粘膜中名为NF kappa B的信号通路的活性就会下降,这就能够有效减缓炎症表现。研究者Zhang说道,总而来讲,这种通路的活性下降了,这与其在人体中的状况非常相似,这似乎就表明,细菌会使得哺乳细胞脱敏,从而并不会对外界环境的危险做出过度反应,所以机体的炎症状态会被细菌所减缓。

克罗恩病患者体内的柔嫩梭菌的水平会下降,而缺乏这种细菌被认为是诱发患者机体过度炎症表现的主要原因;当研究人员将丁酸加入到系统中后,如果没有细菌存在的话,丁酸并不会产生细菌存在时所发生的效应,这就说明,细菌所发挥的某些作用或许会通过一些其他几只来发挥,后期研究人员还将进一步研究阐明。下一步研究人员计划利用新开发的系统来研究当加入其它在克罗恩病发病中扮演关键角色的细菌时会发生什么,从而来解析每一种细菌所产生的效应。

此外,研究人员还希望通过联合研究在乳糜泻和其它胃肠道疾病患者机体中培植粘膜组织,随后利用这些组织来研究不同遗传背景下细胞中所发生的微生物所诱发的炎症表现;研究者Griffith表示,我们希望能够获得新的数据来揭示微生物和炎症如何与宿主的遗传背景相互作用,从而来分析是否一部分人群会更容易受到微生物对粘膜屏障的干扰;此外,研究人员还希望利用这种新型设备来研究其它类型的粘膜屏障,包括女性的生殖道,比如子宫颈和子宫内膜等。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

A new tool for modeling the human gut microbiome

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