肠道芯片的介绍以及技术发展

今天的问题

肠道在许多重要的生理功能中起着关键作用，特别是在药物和营养物质的运输和口服吸收方面，这是药物动力学中的一个关键阶段。此外，肠道还有一个不太为人所知的免疫功能，需要进行广泛的研究。尽管肠道发挥着如此重要的作用，但我们对其所有机制远未完全了解，迫切需要一个有效的模型来研究这个复杂而重要的器官。此外，许多药物不良反应影响着胃肠道，而且许多肠道炎症的原因尚不清楚，比如克罗恩病。最后，越来越多的证据表明微生物共生体对肠道健康有巨大影响。由于宿主细胞和微生物之间的生长条件难以匹配，在体外往往很少研究这一特征。然而，这仍然是一个关键参数，因为人体微生物组在肠道健康和疾病中起着核心作用，因此开发一种体外平台来研究宿主与微生物的相互作用现在显得至关重要。

以往的解决方案

对这个器官的试验主要是在动物身上进行的，这常常在伦理层面上引起争议，并且结果并不总是适用于人类：一种药物对大鼠可能有毒，但对人类则不会，反之亦然。

以前在体外进行的肠道上皮细胞培养技术主要使用静态培养模型，例如Transwell培养室（Corning Inc.，马萨诸塞州洛厄尔市）。这种3D细胞培养通过多孔膜和室的顶侧/底侧模拟了“类体内”环境。然而，它仍然缺乏肠道组织的关键特征，无法成为一个良好的肠道预测模型。

肠道器官芯片的解决方案

鉴于我们刚刚看到的营养物质和药物吸收与转运的复杂功能，肠道是结合了不同独特特征的地方：通过肠绒毛和上皮细胞微绒毛实现的相当大的表面积，对吸收至关重要；由数十亿细菌组成的肠道微生物群落以及沿着胃肠道运输营养物质的蠕动运动。

这些是静态模型中缺乏的特征，这些特征在这种肠道芯片中被复制，以正确模拟人体肠道的机械、结构、吸收和病理生理特性，同时结合微生物共生体。这种先进模型的主要优势是更好地再现体内环境，通过控制微流体参数，减少研究的延迟和成本。

肠道芯片的技术特点

在Hyun Jung Kim等人的研究中，他们成功设计了一种具有前面列出的感兴趣特点的人体肠道芯片，并在本综述中选择展示他们的结果。这个微器件由两个对齐的微通道（上部和下部）组成，是通过在微加工模具上浇注聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚物制成的，并由一个多孔（直径为10微米的圆形孔）的柔性膜（也是PDMS预聚物）分隔，该膜上覆盖着细胞外基质（ECM），并由人类肠道上皮细胞组成，模拟活体肠道的复杂结构和生理功能。

他们使用了Caco-2BBE人类结直肠癌细胞系作为人类肠道上皮细胞。这个细胞系最初来源于人结肠腺癌，过去二十年来一直被广泛用作肠道屏障模型。

通过在微通道中以低流速（30微升/小时）流动液体，产生微通道上的低剪切力，以及通过在微通道两侧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，研究人员成功地重现了生理蠕动运动和肠道微环境。这种周期性吸引力是由计算机控制的真空集流器进行调节的。

研究人员还对人体微生物组在肠道功能中的中心作用进行了调查：他们在芯片中进行了共培养，使用了来自人体肠道的Lactobacillus rhamnosus GG（LGG）细胞和Caco-2细胞。这些正常的肠道微生物被培养在上皮细胞单层的顶侧表面上。

采用肠道芯片获得的结果

为了能够正确比较这种静态模型与肠道芯片中肠道细胞培养方式，进行了一项使用Transwell培养室方法的平行研究作为对照。在这些对照研究中，Transwell培养板包含了预先涂覆有与肠道芯片设备中使用的相同细胞外基质混合物的多孔聚酯膜插入物；Caco-2细胞以相同的密度播种，以确保相同的培养条件基础。

在两项研究结束时，他们发现在静态条件下培养的细胞呈高度扁平且几乎鳞状；而在肠道芯片中培养的细胞尺寸增高了6倍，并且迅速极化成柱状形状，自发地形成了重现肠道绒毛结构的褶皱。这些特征几乎与体内健康人肠道上皮细胞的报告相同，并且显示出直接依赖于芯片中施加的流体流动。这种结构还形成了对小分子物质的高完整性屏障，这重现了肠道细胞的另一个功能。通过测量经上皮电阻（TEER）建立了这种完整性。

此外，成功在培养上皮的腔面上长期培养正常肠道微生物也是一个成功的尝试。事实上，结果显示，在共培养后，LGG和Caco-2细胞仍然完全存活。微生物的存在也带来了显著的优势：随着时间的推移，它改善了屏障功能，就像在人体内观察到的那样，并增强了肠道上皮的完整性。在Transwell系统中，LGG细胞在静止的顶室中自由生长，导致酸性pH和肠道细胞的低存活率。这种极端后果在肠道芯片中得到避免，得益于施加的持续流动，从而清除有机酸和未结合的LGG细胞。通过量化氨肽酶的特定活性来衡量人体肠道上皮细胞的功能性。

肠道芯片装置的未来应用

这种肠道芯片提供了比之前的Transwell培养室更好的整个肠道模型，通过重现对其功能至关重要的人体肠道的多个动态物理和功能特征，以及适用于运输吸收和毒性研究的受控微流控环境。这种对生活中肠道的机械活跃微环境（蠕动运动和腔内液体流动）的再现也允许微生物菌群正常生长，而不会损害人体细胞的生存能力。

总而言之，这个装置是人体肠道的良好再现，因此具有广阔的发展前景。肠道是一个重要的器官，由于其复杂的特性组合，我们对它的理解仍然不够完善。这个芯片将有助于研究肠道功能的机械调控，以及宿主与微生物的共生和进化。它还将为药物筛选和毒理学测试提供一个平台。多种胃肠道疾病的研究将从中受益，例如克罗恩病，其病因目前仍然未知。这种目前的研究方法引发了伦理争议，并且提供的结果并不总是适用于人类，这迫切需要开发替代方法，例如这种器官芯片的例子。我们可以说，这个模型是对现实的显著简化，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动液体，而不是当前的培养基。另一个机会是开发肠肝芯片，可以研究药物和营养物代谢中的首过效应。

原文链接：Gut-on-chip: keeping up with the technology - Elveflow