通过仿生珊瑚结构可摄入胶囊实现肠道微生物组被动采样Passive intestinal microbiome sampling using an ingestible device with tortuous lattices: Device

环球医讯 / 硒与微生态来源:www.cell.com阿联酋 - 英语2025-09-06 19:27:46 - 阅读时长3分钟 - 1205字
本研究开发了一种名为CORAL的新型可摄入胶囊装置,其灵感来自海洋珊瑚的复杂多孔结构,采用三重周期极小表面(TPMS)晶格微结构,无需主动机械部件即可实现肠道微生物的精准采样。通过啮齿动物模型和16S rRNA基因测序证实,该装置能比粪便样本更全面准确地反映小肠微生物群特征,为研究肠道微生物空间分布提供了突破性技术。
肠道微生物组健康疾病CORAL胶囊非侵入式采样小肠微生物代谢性疾病个性化医疗临床转化微生物空间异质性
通过仿生珊瑚结构可摄入胶囊实现肠道微生物组被动采样

研究背景

人体肠道包含数万亿微生物,这些微生物的不平衡与炎症、免疫、代谢等疾病密切相关。现有粪便采样无法区分肠道不同区域的微生物群,而内窥镜采样成本高昂且难以触及近端肠道区域。近期胶囊技术的进展为肠道微生物组采样提供了新方法,但现有设备多依赖磁力或机械驱动,存在结构复杂、需外部操控等问题。

技术创新

研究团队开发的CORAL胶囊(细胞组织化重复晶格)采用完全被动采样机制,其设计灵感来自海洋珊瑚的高度复杂多孔结构。该装置通过三重周期极小表面(TPMS)晶格微结构实现细菌捕获,具有以下创新特性:

  1. 仿生结构:TPMS晶格模拟珊瑚的多孔拓扑结构,提供高表面积(80-100μm孔径)和结构鲁棒性
  2. 单步制造:采用投影微立体光刻(PμSL)技术,通过光固化树脂实现微米级精度的单步增材制造
  3. 核心壳体设计:包含外壳(取样结肠)和内核(取样小肠)的双组件设计,防止不同区域样本交叉污染

实验验证

通过体外(ex vivo)和体内(in vivo)实验验证:

  • 体外测试:将胶囊通过大鼠新鲜小肠段,扫描电镜显示胶囊孔道和表面均成功捕获大量细菌
  • 体内测试:17只雄性Sprague-Dawley大鼠口服胶囊后,微CT证实所有胶囊均完整通过消化道,无聚集或阻塞现象
  • 微生物组分析
  • 16S rRNA测序显示,CORAL内核样本中厚壁菌门(Firmicutes)占比显著高于粪便样本
  • 乳酸杆菌属(Lactobacillus)等近端肠道优势菌在CORAL样本中富集程度提高3-5倍
  • 相比粪便样本,CORAL成功检测到黏膜附着菌(如Akkermansia、Romboutsia)的富集特征

临床意义

该技术突破传统采样局限,首次实现小肠等难达区域微生物组的非侵入式精准采集:

  • 解决了现有技术的三大挑战:1)延迟采样启动,2)上/下消化道样本隔离,3)低微生物密度环境的采样效率
  • 开发的pH响应涂层(pH>5.5溶解)确保胶囊在小肠精准释放
  • 通过晶格参数优化,使样本容量达到壳体25μL/内核4μL的实用水平

技术优势

相较于现有主动采样设备,CORAL具有显著优势:

  1. 结构简化:无任何运动部件或致动机制,制造良率提升至95%以上
  2. 成本控制:单个胶囊制造成本低于20美元(批量生产后可降至5美元)
  3. 扩展潜力:数学定义的TPMS结构支持快速几何优化,可扩展至人用尺寸(00号胶囊标准)

未来展望

该技术即将进入临床转化阶段,需解决以下挑战:

  • 放大制造工艺验证(从2.1mm×8.2mm放大至人用尺寸22mm×7.3mm)
  • 开发新型样本回收系统(如磁性回收或射频识别技术)
  • 优化DNA提取方法以适应小肠黏液环境

这项研究为探索肠道微生物空间异质性提供了革命性工具,特别是在近端肠道微生物与饮食、代谢性疾病关系研究中具有重要应用前景。通过数学建模与增材制造技术的结合,为个性化医疗设备开发提供了新范式。

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