微生物存在于人體、植物、土壤、海洋等各種環(huán)境中，這些微生物群落的集合被稱為微生物組。近年來，微生物組研究成為一個(gè)熱門，去年10月份，Science和Nature兩大期刊同時(shí)發(fā)文，倡議開展浩大的微生物組研究，以理解和利用微生物組——棲息在多種多樣生態(tài)系統(tǒng)（如人類腸道和海洋）的微生物群落，來改善人類健康、農(nóng)業(yè)、生物能源和環(huán)境。今年5月份，美國白宮宣布啟動“國家微生物組計(jì)劃”，這是奧巴馬政府繼腦計(jì)劃、精確醫(yī)學(xué)、抗癌“登月”之后推出的又一個(gè)重大國家科研計(jì)劃。

       近期，有研究人員制備了一種新的體外模型，使微生物組研究超越了種群豐度相關(guān)性，并朝著“調(diào)查宿主-微生物相互作用的分子機(jī)制”這條道路邁進(jìn)。

       盧森堡大學(xué)的研究人員在《Nature Communications》雜志上報(bào)道了一種新的人類腸道微流體模型，稱為HuMiX，可模擬腸道的條件和流程，從而讓我們對影響人類-微生物相互作用的變量進(jìn)行系統(tǒng)的操縱。這項(xiàng)研究的資深作者Paul Wilmes在一份新聞稿中說：“利用HuMiX，我們可以實(shí)時(shí)觀察到細(xì)菌與人類腸道細(xì)胞交流時(shí)的相互作用。我們也可以研究那些利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法難以接近的過程。”

       Wilmes的研究小組設(shè)計(jì)了HuMiX，其具有三個(gè)隔離層，第一層用于灌注基質(zhì)，第二層用于人類上皮細(xì)胞培養(yǎng)，第三層用于培養(yǎng)微生物。這些隔離層是由多孔膜分開的，這種多孔膜模仿健康上皮細(xì)胞層，每一層都有進(jìn)水口和出水口，以操縱培養(yǎng)基的物理化學(xué)參數(shù)。該設(shè)備還包含氧傳感器，并能容納一個(gè)電極來測量經(jīng)上皮電阻，用以描述細(xì)胞的生長和分化。研究人員對設(shè)備內(nèi)的共培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化，用于有氧和厭氧條件，研究人員通過利用該設(shè)備重復(fù)了以前公布的人類和動物實(shí)驗(yàn)，并比較了由此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄組和代謝產(chǎn)物，證明HuMiX能夠概括正常的腸道反應(yīng)。根據(jù)Wilmes介紹，在所有情況下，數(shù)據(jù)都顯示出了強(qiáng)勁的一致性。

        在驗(yàn)證該設(shè)備可作為一個(gè)優(yōu)秀的人類腸道模型的過程中，該研究團(tuán)隊(duì)對來自themulti-omics研究的一些數(shù)據(jù)變得非常好奇。特別是，腸道上皮細(xì)胞與乳酸菌的共培養(yǎng)，可導(dǎo)致多個(gè)miRNA的表達(dá)發(fā)生改變，包括一些目前用于胃腸道癌癥的生物標(biāo)志物。因此，研究人員建議，HuMiX可能促進(jìn)生物標(biāo)記物的鑒定，并促進(jìn)微生物組為基礎(chǔ)的療法的測試。

        采用這個(gè)新系統(tǒng)研究人員也揭示出了其他微生物的相互作用。本研究第一作者Pranjul Shah說：“在腸細(xì)胞和乳桿菌某一菌株的共培養(yǎng)中，我們發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)系統(tǒng)一個(gè)信使的產(chǎn)生，特別是神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸（GABA），在腸道細(xì)胞中是受到刺激的，從而表明腸道可能通過一種機(jī)制與大腦交流。”這個(gè)觀察結(jié)果打開了“使用HuMiX來研究腸腦軸”的可能性。

        雖然Wilmes的研究小組開發(fā)的HuMiX是用于研究宿主微生物相互作用，但是該設(shè)備用于篩選藥物和調(diào)查藥物動力學(xué)和營養(yǎng)學(xué)，應(yīng)該也是很有價(jià)值的。Wilmes說：“利用HuMiX，我們現(xiàn)在還可以分析益生菌、膳食化合物或影響人類生理學(xué)的藥物。我們希望看到這些療法如何需要完善的具體指標(biāo)，以為了將來更好地工作。”