新加坡国立大学（NUS）科学家开发了一种3D微型版本的人类肠道模型，该模型被压缩到大约五分之一硬币大小的芯片中。这种新的细胞培养平台被称为“芯片上的肠道微生物”（Gut-Microbiome on a Chip, 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的相互作用及其对肠道健康的集体影响。该芯片提供了一种可扩展、可重复且高效的解剖肠道微生物及其社区作用的方法，这对于预防医疗和制药行业具有重要意义。
“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）主任林秋成教授表示。林教授还来自新加坡国立大学设计与工程学院的生物医学工程系。“通过建立一个生理相关的肠道模型，能够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。”
了解肠道微生物与健康之间的复杂相互作用
我们的肠道内含有数万亿个细菌、真菌和病毒，它们在整体健康中发挥着至关重要的作用。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，这些肠道微生物如何防止或引起胃肠道疾病的确切机制尚不清楚。虽然研究人员已经确定了健康人群和患病人群中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精确机制。
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逼真的肠道微生物群落展示。它模拟了生物条件（如食物运动和氧气水平），模仿了肠道内壁的关键结构和生理特征，允许培养多样化的微生物群落，并设计为易于实时调查。
模拟人体肠道
GMoC系统提供了一个逼真的体外（体外）人体肠道模型，具有模仿肠道上皮3D版本的功能，该版本模拟了肠道的关键结构和功能方面，如肠绒毛（用于吸收营养的小指状突起）、微生物与肠细胞的共存以及模拟食物运动的动态条件。
复制肠绒毛的结构非常重要，因为不同微生物物种在3D基质中的具体位置会影响它们的组织和功能，并对肠道对各种刺激的反应产生独特的影响。
除了结构特征外，团队的“微型肠道”平台还展示了功能性且生理相关肠上皮的关键属性。“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系统是一个更完整的体外模型，因为它从结构上复制了衬在人体肠道上的细胞，并提供了比现有静态体外系统更生理相关的模型。
实时可视化微生物间相互作用
作为多功能研究工具，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和肠道微生物群落的相互作用。
通过研究不同细菌种类在肠道中争夺有限资源（如营养物质和生长空间）的竞争，并检查这种竞争如何防止有害细菌过度生长并破坏肠道内的平衡微生物群，科学家可以促进靶向微生物组干预策略和调节肠道微生物群方法的开发。
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。
未来计划
研究团队专注于进一步开发该设备，旨在增强其复杂性以更好地模拟人类肠道。这包括引入复杂的机械线索、增强细胞复杂性并在GMoC系统内创建氧气梯度。
在生物学方面，团队还计划使用该设备进一步研究不同微生物群落在各种刺激（包括营养物质和抗生素）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，团队正在寻求通过降低制造成本和标准化生产过程将该设备推向市场。
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，用于研究肠道微生物在高度可扩展的方式中扮演的多面角色。这将帮助科学家更好地理解微生物诱导疾病发病机制的机制，发现新的治疗靶点，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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