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:
- 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
- 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
- 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:
- 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
- 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)
- 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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