在先进肠道健康研究方面取得突破，新加坡国立大学（NUS）的科学家们开发了一种3D微缩版的人类肠道，将其压缩到大约半个五分硬币大小的小芯片中。这种新型细胞培养平台被称为“肠道微生物芯片”（Gut-Microbiome on a Chip，简称GMoC），提供了一个逼真的体外微肠道模型，使研究人员能够检查肠道微生物之间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、可重复且高效的方法来剖析肠道微生物及其群落的作用，这对预防保健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对肠道健康和疾病影响能力的重大进展，”新加坡国立大学健康创新与技术研究所（iHealthtech）主任、设计与工程学院生物医学工程系教授林哲德（Lim Chwee Teck）表示。“通过建立一个能够培养肠道微生物群的生理相关肠道模型，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。”
这项研究成果于2024年2月27日发表在《先进科学》（Advanced Science）期刊上。
我们的肠道含有数万亿的细菌、真菌和病毒，它们在我们的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，既可以帮助我们，也可能对我们造成伤害。
然而，这些肠道微生物防止或引发胃肠道疾病的确切机制尚不清楚。尽管研究人员已经发现了健康人群和患病人群之间肠道微生物组的个体差异，但生活在我们肠道中的数万亿微生物之间的复杂互动使得难以确定这些微生物保护我们或引发疾病的具体机制。
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，允许多种微生物群落的培养，并设计用于轻松进行实时调查。
GMoC系统提供了一个逼真的体外（体外）人体肠道模型，其特点是一个3D版本的肠道上皮，模拟了肠道的重要结构和功能特性，如小肠绒毛（吸收营养的小指状突起）、微生物和肠细胞的共存，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，因为不同微生物种类在3D基质中的具体位置会影响它们的组织和功能，并且对肠道对外界刺激的反应有独特的影响。
除了结构特征外，研究团队的“微型肠道”平台还展示了功能性、生理相关的肠道上皮的关键属性。“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人体肠道内壁的细胞，并提供了一个比现有静态体外系统更生理相关的模型。
作为一个多功能的研究工具，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。
通过研究不同细菌物种在肠道中竞争有限资源（如营养物质和生长所需的物理空间）的方式，并检查这种竞争如何防止有害细菌过度生长并破坏肠道微生物平衡，科学家可以促进靶向微生物组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，同时允许在一个芯片上进行多次测试。
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。这包括纳入复杂的机械线索、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，研究团队还计划利用该设备进一步研究在不同刺激下（包括营养物质和抗生素）多样化微生物群落的组装、相互作用和行为。这将有助于我们全面了解这些相互作用如何影响肠道健康。从商业化角度来看，研究团队正寻求通过降低制造成本和标准化生产流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下的多重作用。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，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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