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突破，开发了一种3D微缩版的人类肠道，将其浓缩到大约五分硬币一半大小的小芯片中。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），提供了一个真实的体外微肠道模型，使研究人员能够检查肠道微生物的相互作用及其对肠道健康的整体影响。该芯片提供了一种可扩展、可重复且高效的解剖方法，用于分析肠道微生物及其群落的作用，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）主任林秋杰教授表示。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及其复杂的机制。”
理解肠道微生物与健康的复杂相互作用
我们的肠道内含有数万亿的细菌、真菌和病毒，它们在整体健康中起着至关重要的作用。这些微生物群落——也称为肠道菌群或胃肠道微生物组——既可以有益也可以有害。
然而，这些肠道微生物如何防止或导致胃肠道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的复杂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作用方式。
由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真实的肠道微生物群落展示。它模拟了人体肠道中的生物条件（如食物移动和氧气水平），模仿了肠道黏膜的关键结构和生理特征，允许多样化微生物群落的培养，并设计为易于实时调查。
模拟人体肠道
GMoC系统提供了一个体外（体外）的人类肠道模型，其3D版本的肠道上皮模拟了肠道的关键结构和功能特性，例如小肠绒毛（吸收营养的小指状突起）、微生物和肠细胞的共栖以及模拟食物运动的动态条件。
复制小肠绒毛的结构非常重要，因为不同微生物物种在3D基质中的特定位置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，团队的“微型肠道”平台还展示了功能性且生理相关的小肠上皮的关键属性。该“微型肠道”还可以产生粘蛋白，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，因为它在结构上复制了排列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。
通过研究不同细菌物种在肠道中竞争有限资源（如养分和生长所需的物理空间）的方式，以及这种竞争如何帮助防止有害细菌过度生长并破坏肠道内的平衡微生物群，科学家可以促进基于微生物组的干预措施和调节肠道微生物群策略的发展。
GMoC的独特设计确保了可扩展性，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系统内创建氧气梯度。
在生物学方面，团队还计划利用该设备进一步研究不同刺激（包括营养物质和抗生素）下多样微生物群落的组装、相互作用和行为。这将有助于我们全面了解这些相互作用对肠道健康的影响。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流程将设备推向市场。
GMoC芯片为该领域提供了关键进展，通过提供一个高度可扩展的真实体外平台来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诱导疾病机制，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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