今天的問題

腸道在許多重要的生理功能中起著關鍵作用，特別是在藥物和營養(yǎng)物質的運輸和口服吸收方面，這是藥物動力學中的一個關鍵階段。此外，腸道還有一個不太為人所知的免疫功能，需要進行廣泛的研究。盡管腸道發(fā)揮著如此重要的作用，但我們對其所有機制遠未完全了解，迫切需要一個有效的模型來研究這個復雜而重要的器官。此外，許多藥物不良反應影響著胃腸道，而且許多腸道炎癥的原因尚不清楚，比如克羅恩病。最后，越來越多的證據表明微生物共生體對腸道健康有巨大影響。由于宿主細胞和微生物之間的生長條件難以匹配，在體外往往很少研究這一特征。然而，這仍然是一個關鍵參數，因為人體微生物組在腸道健康和疾病中起著核心作用，因此開發(fā)一種體外平臺來研究宿主與微生物的相互作用現(xiàn)在顯得至關重要。

以往的解決方案

對這個器官的試驗主要是在動物身上進行的，這常常在倫理層面上引起爭議，并且結果并不總是適用于人類：一種藥物對大鼠可能有毒，但對人類則不會，反之亦然。

以前在體外進行的腸道上皮細胞培養(yǎng)技術主要使用靜態(tài)培養(yǎng)模型，例如Transwell培養(yǎng)室（Corning Inc.，馬薩諸塞州洛厄爾市）。這種3D細胞培養(yǎng)通過多孔膜和室的頂側/底側模擬了“類體內”環(huán)境。然而，它仍然缺乏腸道組織的關鍵特征，無法成為一個良好的腸道預測模型。

腸道器官芯片的解決方案

鑒于我們剛剛看到的營養(yǎng)物質和藥物吸收與轉運的復雜功能，腸道是結合了不同獨特特征的地方：通過腸絨毛和上皮細胞微絨毛實現(xiàn)的相當大的表面積，對吸收至關重要；由數十億細菌組成的腸道微生物群落以及沿著胃腸道運輸營養(yǎng)物質的蠕動運動。

這些是靜態(tài)模型中缺乏的特征，這些特征在這種腸道芯片中被復制，以正確模擬人體腸道的機械、結構、吸收和病理生理特性，同時結合微生物共生體。這種先進模型的主要優(yōu)勢是更好地再現(xiàn)體內環(huán)境，通過控制微流體參數，減少研究的延遲和成本。

腸道芯片的技術特點

在Hyun Jung Kim等人的研究中，他們成功設計了一種具有前面列出的感興趣特點的人體腸道芯片，并在本綜述中選擇展示他們的結果。這個微器件由兩個對齊的微通道（上部和下部）組成，是通過在微加工模具上澆注聚二甲基硅氧烷（PDMS）預聚物制成的，并由一個多孔（直徑為10微米的圓形孔）的柔性膜（也是PDMS預聚物）分隔，該膜上覆蓋著細胞外基質（ECM），并由人類腸道上皮細胞組成，模擬活體腸道的復雜結構和生理功能。

他們使用了Caco-2BBE人類結直腸癌細胞系作為人類腸道上皮細胞。這個細胞系最初來源于人結腸腺癌，過去二十年來一直被廣泛用作腸道屏障模型。

通過在微通道中以低流速（30微升/小時）流動液體，產生微通道上的低剪切力，以及通過在微通道兩側的真空腔室施加周期性吸引力，使多孔膜周期性地拉伸和放松，研究人員成功地重現(xiàn)了生理蠕動運動和腸道微環(huán)境。這種周期性吸引力是由計算機控制的真空集流器進行調節(jié)的。

研究人員還對人體微生物組在腸道功能中的中心作用進行了調查：他們在芯片中進行了共培養(yǎng)，使用了來自人體腸道的Lactobacillus rhamnosus GG（LGG）細胞和Caco-2細胞。這些正常的腸道微生物被培養(yǎng)在上皮細胞單層的頂側表面上。

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采用腸道芯片獲得的結果

為了能夠正確比較這種靜態(tài)模型與腸道芯片中腸道細胞培養(yǎng)方式，進行了一項使用Transwell培養(yǎng)室方法的平行研究作為對照。在這些對照研究中，Transwell培養(yǎng)板包含了預先涂覆有與腸道芯片設備中使用的相同細胞外基質混合物的多孔聚酯膜插入物；Caco-2細胞以相同的密度播種，以確保相同的培養(yǎng)條件基礎。

在兩項研究結束時，他們發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)條件下培養(yǎng)的細胞呈高度扁平且?guī)缀貅[狀；而在腸道芯片中培養(yǎng)的細胞尺寸增高了6倍，并且迅速極化成柱狀形狀，自發(fā)地形成了重現(xiàn)腸道絨毛結構的褶皺。這些特征幾乎與體內健康人腸道上皮細胞的報告相同，并且顯示出直接依賴于芯片中施加的流體流動。這種結構還形成了對小分子物質的高完整性屏障，這重現(xiàn)了腸道細胞的另一個功能。通過測量經上皮電阻（TEER）建立了這種完整性。

此外，成功在培養(yǎng)上皮的腔面上長期培養(yǎng)正常腸道微生物也是一個成功的嘗試。事實上，結果顯示，在共培養(yǎng)后，LGG和Caco-2細胞仍然完全存活。微生物的存在也帶來了顯著的優(yōu)勢：隨著時間的推移，它改善了屏障功能，就像在人體內觀察到的那樣，并增強了腸道上皮的完整性。在Transwell系統(tǒng)中，LGG細胞在靜止的頂室中自由生長，導致酸性pH和腸道細胞的低存活率。這種極端后果在腸道芯片中得到避免，得益于施加的持續(xù)流動，從而清除有機酸和未結合的LGG細胞。通過量化氨肽酶的特定活性來衡量人體腸道上皮細胞的功能性。

腸道芯片裝置的未來應用

這種腸道芯片提供了比之前的Transwell培養(yǎng)室更好的整個腸道模型，通過重現(xiàn)對其功能至關重要的人體腸道的多個動態(tài)物理和功能特征，以及適用于運輸吸收和毒性研究的受控微流控環(huán)境。這種對生活中腸道的機械活躍微環(huán)境（蠕動運動和腔內液體流動）的再現(xiàn)也允許微生物菌群正常生長，而不會損害人體細胞的生存能力。

總而言之，這個裝置是人體腸道的良好再現(xiàn)，因此具有廣闊的發(fā)展前景。腸道是一個重要的器官，由于其復雜的特性組合，我們對它的理解仍然不夠完善。這個芯片將有助于研究腸道功能的機械調控，以及宿主與微生物的共生和進化。它還將為藥物篩選和毒理學測試提供一個平臺。多種胃腸道疾病的研究將從中受益，例如克羅恩病，其病因目前仍然未知。這種目前的研究方法引發(fā)了倫理爭議，并且提供的結果并不總是適用于人類，這迫切需要開發(fā)替代方法，例如這種器官芯片的例子。我們可以說，這個模型是對現(xiàn)實的顯著簡化，但也存在逐步添加其他特征的可能性。例如，血液可以直接用作流動液體，而不是當前的培養(yǎng)基。另一個機會是開發(fā)腸肝芯片，可以研究藥物和營養(yǎng)物代謝中的首過效應。

原文鏈接：Gut-on-chip: keeping up with the technology - Elveflow