新加坡国立大学（NUS）的科学家们在肠道健康研究方面取得了重大突破，开发了一种3D微观版本的人类肠道模型，将其压缩到一个大约五分硬币一半大小的芯片中。这个新的细胞培养平台被称为肠道微生物芯片（Gut-Microbiome on a chip，简称GMoC），提供了一个逼真的体外微肠道模型，使研究人员能够研究肠道微生物之间的相互作用及其对肠道健康的整体影响。GMoC系统提供了可扩展、可重复且高效的手段，用于剖析肠道微生物及其群体的作用，这对预防性医疗和制药行业至关重要。
“GMoC系统代表了我们研究肠道微生物群落对肠道健康和疾病影响能力的重大进步。”新加坡国立大学健康创新与技术研究所（iHealthtech）主任林垂德教授表示。林教授同时也是新加坡国立大学设计与工程学院生物医学工程系的教授。“通过建立一个生理相关的肠道模型，可以培养肠道微生物群落，我们可以更深入地了解这些微生物在维持肠道健康和预防疾病中的作用和复杂机制。”
我们的肠道内含有数万亿的细菌、真菌和病毒，它们对我们的整体健康起着至关重要的作用。这些微生物群落也被称为肠道菌群或胃肠道微生物组，可以对我们产生有益或有害的影响。然而，这些肠道微生物防止或导致胃肠疾病的确切机制尚不清楚。尽管研究人员已经确定了健康人群和患病人群之间肠道微生物组的个体差异，但肠道内数万亿微生物之间复杂的相互作用使得难以孤立出这些微生物保护我们或引发疾病的具体机制。
新加坡国立大学研究人员开发的创新3D“微型肠道”平台相比现有模型提供了更为逼真的肠道微生物群落展示。它模拟了人体肠道内的生物条件（如食物运动和氧气水平），模仿肠道黏膜的关键结构和生理特征，允许多种微生物的培养，并设计为易于实时调查。
GMoC系统提供了一个逼真的体外（体外）人体肠道模型，具有3D版本的肠道上皮，模仿肠道的主要结构和功能特征，如小肠绒毛（吸收营养的小指状突起）、微生物和肠细胞的共存，以及模拟食物运动的动态条件。复制肠道绒毛的结构非常重要，因为不同微生物种类在3D基质中的特定位置会影响它们的组织和功能，并对肠道对外界刺激的反应产生独特影响。
除了结构特征外，研究团队的“微型肠道”平台还展示了功能性、生理相关肠道上皮的关键属性。“微型肠道”还可以产生黏蛋白，作为抵御微生物入侵的防线，并有助于建立肠道-细菌界面。
因此，GMoC系统是一个更为完整的体外模型，因为它从结构上复制了覆盖人类肠道的细胞，并提供了一个比现有静态体外系统更为生理相关的模型。
作为一款多功能研究工具，创新的GMoC系统使科学家能够以更高的分辨率和实时方式研究微生物间的相互作用及肠道微生物群落的相互作用。通过研究不同细菌物种在肠道中竞争有限资源（如营养和生长空间），以及这种竞争如何防止有害细菌过度生长和破坏平衡的肠道微生物群，科学家可以推动基于微生物组的靶向干预策略的发展，以调节肠道微生物群。
GMoC的独特设计确保了其可扩展性，同时可以在单个芯片上进行多次测试。
研究团队正致力于进一步开发该设备，旨在增强其复杂性以更好地复制人类肠道。这包括引入复杂的机械线索、增强细胞复杂性，并在GMoC系统中创建氧气梯度。
在生物学方面，研究团队还计划利用该设备进一步研究不同微生物群落在各种刺激（包括营养和抗生素）下的组装、相互作用和行为。这将有助于我们全面了解这些相互作用如何影响肠道健康。在商业化方面，团队正在寻求降低制造成本并标准化生产流程，以将设备推向市场。
GMoC芯片为该领域提供了关键进展，提供了一个逼真的体外平台，以高度可扩展的方式研究肠道微生物的多面作用。这将帮助科学家更好地理解微生物引起的疾病发病机制，识别新的治疗靶点，并开发能够调节肠道微生物组以改善健康和临床结果的治疗方法。
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