一支由欧洲肿瘤研究所（European Institute of Oncology）和米兰理工大学（Politecnico di Milano）的研究人员组成的团队，在实验肿瘤学系团队负责人路易吉·内齐（Luigi Nezi）和米兰理工大学电子、信息与生物工程系全职教授马可·拉斯波尼（Marco Rasponi）的带领下，开发了一种“芯片上的肠道”（gut-on-a-chip），这种微型设备能够重现肠道炎症的主要特征，并预测黑色素瘤患者对免疫治疗的反应。
研究结果已发表在《自然·生物医学工程》杂志上。微生物群与免疫治疗之间的相互作用早已为人所知。这种相互作用是全身效应和局部过程共同作用的结果，其中全身效应是指免疫治疗在整个身体中引发的免疫反应，而局部过程主要发生在肠道中，因为人体内的大部分细菌都栖息在这里。然而，这些局部过程只能通过动物模型进行研究，存在诸多局限性。此外，接受黑色素瘤免疫治疗的患者没有临床理由接受结肠镜检查或结肠活检。尽管如此，肠道炎症仍是这种治疗方法的主要副作用之一，常常迫使治疗中断。
“芯片上的肠道”由两个平面组成，下层分为一个用于培养上皮细胞和肠道微生物群的肠道通道，以及一个由细胞外基质凝胶分隔的血管室。上层的实施腔室允许细胞结构受到肠道蠕动的刺激。
研究人员将“器官芯片”技术应用于结肠，设计了一些创新细节，专门研究肠道微生物群与免疫治疗之间的联系。“uBeat技术是我们的新型肠道芯片的基础，这项技术由米兰理工大学专利拥有。uBeat最初用于模拟心肌收缩，后来扩展到模拟膝关节的生物力学条件。我们将其应用到模拟典型的肠道蠕动运动。uBeat生成的连续运动使得从人体类器官中区分主要的肠道群体成为可能，从而在芯片上重现高度逼真的环境。通过工程技术驱动这些复杂的生物学过程的能力为创建旨在替代动物使用的多种领域的‘人体化’体外模型开辟了非常有前景的前景。”马可·拉斯波尼说。
“我们发现，对免疫治疗无效的黑色素瘤患者的微生物群具有明显的促炎特性，这会损害肠道上皮屏障的完整性，并促进调节免疫系统的分子的产生。”该研究的第一作者马蒂亚·巴勒里尼（Mattia Ballerini）解释道。
“芯片上的肠道”装置通过使用诱导多能干细胞获得的肠道类器官进行了验证，以最好地再现人体肠道的复杂结构。
“研究肠道微生物群对黑色素瘤患者免疫治疗反应的影响的想法源于我在美国的学习。现在，与米兰理工大学的合作使我们能够创建这个新设备，以便详细研究微生物群与肠道上皮细胞之间相互作用的分子机制。这些特征可以用作临床标志物，以预测免疫治疗的反应，并对患者进行分层，从而使治疗仅限于最有可能受益的人。这将大大提高患者的生活质量，并为国家卫生系统节省大量资金。此外，使用我们的‘芯片上的肠道’可以避免对治疗无效的患者不必要的副作用风险，使他们的肿瘤科医生有机会给予更有效的治疗。我们只需采集粪便样本并在‘芯片上的肠道’上测试其效果即可。最后，我们正在利用该系统研究其他癌症对免疫治疗的反应机制，这些癌症的患者获益仍然有限。我们的目标是为基于肠道微生物群调节的创新疗法创造新的发展机会，让更多患者获得有效治疗。”路易吉·内齐说。
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