麻省理工学院的一支研究团队找到了一种在实验室中培养与克罗恩病相关细菌的方法。
这种细菌向来极难培养，而该团队开发出一种专用装置，可以复制结肠的内壁。
他们希望这项工作能够增进科学界对克罗恩病的成因及其生物学触发因素的认识。
与克罗恩病相关的细菌很难在实验室中培养，但麻省理工学院的工程师已找到一种方法。
人体肠道中生活着数千种细菌菌株。其中一些与疾病相关，另一些则对人体健康有益。要弄清每种细菌的确切作用可能十分困难，因为其中许多细菌无法在使用人体组织的实验室研究中培养。
对于无法在富氧环境中生存的菌种，这一困难尤为突出。然而，麻省理工学院的生物与机械工程师现已设计出一种专用装置，可在复制结肠内壁的组织中培养这些不耐氧细菌，使其存活长达四天。
“我们认为，为社区提供一种能够用于这种极端情况的工具非常重要，”麻省理工学院生物工程系教学创新教授、工程学院教授琳达·格里菲斯（Linda Griffith）说，“我们证明了可以培养这些极其娇贵的微生物，并且能够研究它们对人体结肠的影响。”
利用该系统，研究人员证明他们能够培养一种名为普拉氏栖粪杆菌的细菌菌株。该菌生活在人体肠道中，能够抵御炎症。他们还发现，这些细菌在克罗恩病患者体内往往减少，似乎主要通过释放一种名为丁酸的脂肪酸来发挥其多种保护作用。
格里菲斯与麻省理工学院机械工程教授戴维·特伦珀（David Trumper）是该研究的资深作者，该研究今日发表于期刊Med。麻省理工学院博士后研究员张建波（Jianbo Zhang）与黄宇嘉（Yu-Ja Huang）为该论文的第一作者。
氧气敏感性
格里菲斯表示，人体肠道复杂的微生物组环境很难用小鼠等动物进行模拟，部分原因在于小鼠的饮食与人类有很大不同。
“我们从小鼠和其他动物模型中学到了大量知识，但两者之间仍存在许多差异，尤其是在肠道微生物组方面，”她说。
生活在人体肠道中的细菌大多为厌氧菌，即它们无需氧气即可生存。其中一些细菌能够耐受低浓度的氧气，而另一些，例如F. prausnitzii，则无法在接触氧气后存活，这使得在实验室中研究它们十分困难。一些研究人员设计了可在其中同时培养人体结肠细胞与能耐受低氧环境的细菌的装置，但这些装置对F. prausnitzii以及其他高度不耐氧的微生物效果不佳。
为解决这一问题，麻省理工学院团队设计了一种装置，可以精确控制系统各部分的氧气浓度。该装置包含一条通道，通道内壁覆盖着来自人体结肠黏膜屏障的细胞。在这些细胞下方，会泵入营养物质以维持细胞存活。这一底层富含氧气，但氧气浓度会朝黏膜细胞层的顶部逐渐降低，这与人体结肠内部的情况相似。
与人体结肠中的情况一样，通道中的屏障细胞会分泌一层致密的黏液。麻省理工学院团队发现，F. prausnitzii能够在这层黏液的外层形成细胞团，并可在其中存活长达四天。该环境通过流经其上的液体保持无氧状态，这些液体同时还含有供微生物使用的营养物质。
利用该系统，研究人员得以证明F. prausnitzii确实会影响参与炎症反应的细胞通路。他们观察到，这些细菌会产生一种名为丁酸的短链脂肪酸，此前已有研究表明丁酸可减轻炎症。丁酸水平升高后，黏膜细胞中一条名为NF-κB的通路活性有所降低。这种降低有助于平息炎症。
“总体而言，该通路的活性有所降低，这与人们在人体中观察到的情况非常相似，”张建波说，“细菌似乎使哺乳动物细胞对外部环境中的危险变得不那么敏感，从而不会过度反应，因此炎症状态正在被细菌所平息。”
克罗恩病患者的F. prausnitzii水平往往较低，研究人员推测，缺乏这些细菌可能导致这些患者体内出现过度活跃的炎症。
当研究人员在不含细菌的系统中加入丁酸时，并未产生在细菌存在时所观察到的全部效果。这表明，细菌的部分作用可能是通过其他机制发挥的，研究人员希望对此作进一步探究。
微生物与疾病
研究人员还计划利用该系统，研究在其中加入其他被认为与克罗恩病有关的细菌菌种后会发生什么，以进一步探究每个菌种的作用。
他们还计划开展一项研究，与马萨诸塞州总医院儿科胃肠病学与营养科科长阿莱西奥·法萨诺（Alessio Fasano）合作，培养来自乳糜泻及其他胃肠道疾病患者的黏膜组织。此后，这些组织可用于研究在具有不同遗传背景的细胞中由微生物引发的炎症。
“我们希望获得新的数据，以显示微生物与炎症如何与宿主的遗传背景相互作用，从而判断是否存在某些人具有遗传易感性，使微生物比其他人更容易干扰黏膜屏障，”格里菲斯说。
她还希望利用该装置研究其他类型的黏膜屏障，包括女性生殖道的黏膜屏障，例如宫颈和子宫内膜。
该研究由美国国立卫生研究院、勃林格殷格翰SHINE计划以及美国国家环境健康科学研究所提供资助。
