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來源：PLOS ONE July 25, 2024
摘要核心內(nèi)容
論文開發(fā)了一種名為 IOPC（Intestinal Organoid Physoxic Coculture） 的新型共培養(yǎng)系統(tǒng)，用于在生理氧條件下（模擬腸道內(nèi)低氧環(huán)境）共培養(yǎng)人類腸道類器官（HIOs）與厭氧腸道細(xì)菌。該系統(tǒng)通過簡單、低成本的裝置，在類器官基底側(cè)維持生理性低氧（physoxia，5.6% O?），在頂側(cè)（腔面）維持厭氧環(huán)境，成功支持了厭氧菌（如 Bacteroides thetaiotaomicron 和 Blautia sp.）與HIOs共培養(yǎng)24-48小時(shí)。研究證實(shí)IOPC能增強(qiáng)腸道屏障完整性，調(diào)節(jié)免疫基因表達(dá)，并揭示不同供體來源的HIOs對(duì)細(xì)菌的響應(yīng)存在差異。
研究目的
解決關(guān)鍵矛盾：腸道上皮細(xì)胞需氧生長 vs. 腸道細(xì)菌多為厭氧菌。
開發(fā)新系統(tǒng)：建立低成本、易操作的共培養(yǎng)平臺(tái)，模擬體內(nèi)腸道氧梯度（頂側(cè)厭氧/基底側(cè)低氧）。
驗(yàn)證生理相關(guān)性：探究生理氧條件對(duì)HIOs屏障功能、基因表達(dá)及宿主-微生物互作的影響。
研究思路
系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖1B-D）：
使用透氣底24孔板，基底側(cè)通入低氧混合氣（5% CO?, 5.6% O?, 平衡N?）。
頂側(cè)密封于厭氧腔，依賴HIOs代謝消耗殘余氧，創(chuàng)造厭氧環(huán)境。
驗(yàn)證系統(tǒng)：
測(cè)量氧氣分布（圖1G）、HIOs存活率（圖1E）和形態(tài)（圖1F）。
分析低氧對(duì)HIOs屏障功能（TEER）和基因表達(dá)的影響（圖2）。
共培養(yǎng)驗(yàn)證：
接種厭氧菌（B. thetaiotaomicron 和 Blautia sp.），檢測(cè)細(xì)菌存活（圖3A-C）及對(duì)HIOs屏障的影響（圖3D）。
機(jī)制探究：
通過RT2 Profiler PCR陣列分析細(xì)菌共培養(yǎng)后HIOs的轉(zhuǎn)錄組變化（圖4）。
測(cè)量數(shù)據(jù)及其意義
1. 氧氣濃度測(cè)量（圖1G）
數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense微電極測(cè)量溶解氧：
頂側(cè)腔：氧濃度低于檢測(cè)限（厭氧）。
基底側(cè)：氧濃度與通入氣體一致（5.6%或10.2%）。
意義：
驗(yàn)證系統(tǒng)核心功能：成功模擬腸道氧梯度（頂側(cè)厭氧/基底側(cè)低氧）。
揭示HIOs作用：HIOs主動(dòng)消耗頂側(cè)殘余氧（無HIOs時(shí)頂側(cè)氧濃度為3-4%）。
支持厭氧菌存活：為共培養(yǎng)提供關(guān)鍵環(huán)境基礎(chǔ)。
2. HIOs存活與形態(tài)（圖1E-F）
數(shù)據(jù)：IOPC培養(yǎng)的HIOs存活率與常規(guī)培養(yǎng)無差異；H&E和阿爾新藍(lán)染色顯示正常極性和黏液分泌。
意義：證實(shí)低氧條件不影響HIOs健康狀態(tài)。
3. 屏障功能（TEER）（圖2A, 圖3D）
數(shù)據(jù)：
IOPC顯著提升TEER（圖2A）。
共培養(yǎng)后，TEER下降（B. thetaiotaomicron 和 Blautia sp.均降低屏障功能），但存在供體差異（J3對(duì) Blautia 更敏感）。
意義：
生理氧增強(qiáng)腸道屏障。
細(xì)菌可調(diào)控屏障完整性，且響應(yīng)具有個(gè)體特異性。
4. 基因表達(dá)（圖2B-E, 圖4）
數(shù)據(jù)（RT2 PCR陣列）：
僅低氧（IOPC vs. IC）：32個(gè)基因上調(diào)（如屏障相關(guān)基因 INADL、PARD3；抗菌基因 TLR4），3個(gè)下調(diào)（促炎基因 CXCL8/IL8、TLR2）（圖2B-E）。
細(xì)菌共培養(yǎng)：18個(gè)基因上調(diào)（屏障相關(guān) ESAM、F11R），13個(gè)下調(diào)（炎癥相關(guān) NFKB1、IL18）（圖4）。
意義：
生理氧誘導(dǎo)屏障增強(qiáng)和免疫耐受表型。
細(xì)菌共培養(yǎng)進(jìn)一步調(diào)控免疫平衡（抑制炎癥通路）。
5. 細(xì)菌存活（圖3A-C）
數(shù)據(jù)：
B. thetaiotaomicron 在共培養(yǎng)中增殖（24小時(shí)），Blautia sp. 存活8小時(shí)（圖3A-B）。
FISH證實(shí)細(xì)菌定植于頂側(cè)（圖3C）。
意義：IOPC支持嚴(yán)格厭氧菌存活，且細(xì)菌生長依賴HIOs代謝。
結(jié)論
IOPC系統(tǒng)成功：低成本、易操作的裝置可模擬腸道生理氧梯度，支持厭氧菌與HIOs共培養(yǎng)。
生理氧誘導(dǎo)關(guān)鍵表型：增強(qiáng)屏障功能、上調(diào)抗菌基因、下調(diào)炎癥基因（如 IL8）。
微生物調(diào)控宿主：厭氧菌共培養(yǎng)可改變HIOs基因表達(dá)，抑制炎癥通路（如 NF-κB）。
個(gè)體差異：不同供體HIOs對(duì)細(xì)菌的響應(yīng)程度不同（如TEER變化），凸顯個(gè)性化研究價(jià)值。
應(yīng)用潛力：為研究腸道宿主-微生物互作、個(gè)性化醫(yī)療（如FMT）及藥物吸收提供新平臺(tái)。
Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀
測(cè)量結(jié)果（圖1G）
頂側(cè)腔：溶解氧 低于檢測(cè)限（接近0%），符合厭氧要求。
基底側(cè)：溶解氧穩(wěn)定在 5.6%或10.2%，與通入氣體一致。
對(duì)比對(duì)照組：無HIOs時(shí)頂側(cè)氧濃度為3-4%，證明HIOs主動(dòng)耗氧是維持厭氧的關(guān)鍵。
研究意義
驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性：
直接證實(shí)IOPC能精確控制氧梯度，為后續(xù)生物學(xué)結(jié)果提供物理基礎(chǔ)。
揭示HIOs的代謝作用：
HIOs不僅是被動(dòng)屏障，還通過耗氧主動(dòng)塑造微環(huán)境，支持厭氧菌生存。
模擬體內(nèi)生理：
數(shù)據(jù)證明系統(tǒng)成功復(fù)現(xiàn)了腸道"頂側(cè)厭氧/基底側(cè)低氧"的生理狀態(tài)（體內(nèi)氧梯度為1-11%）。
解決共培養(yǎng)矛盾：
為"需氧上皮 vs. 厭氧菌"的共存提供了可量化解決方案，克服了傳統(tǒng)培養(yǎng)的局限性。
支持嚴(yán)格厭氧菌研究：
頂側(cè)持續(xù)厭氧使該系統(tǒng)適用于對(duì)氧極度敏感的菌（如 Blautia sp.），拓展了可研究的微生物范圍。
關(guān)鍵啟示：Unisense電極數(shù)據(jù)不僅是技術(shù)驗(yàn)證，更揭示了宿主細(xì)胞（HIOs）在塑造微生物微環(huán)境中的主動(dòng)角色，強(qiáng)調(diào)了宿主-微生物互作的雙向性。
總結(jié)：IOPC系統(tǒng)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)解決了腸道共培養(yǎng)的氧矛盾，結(jié)合多維度數(shù)據(jù)（物理、細(xì)胞、基因），為腸道宿主-微生物互作研究提供了高效、生理相關(guān)的平臺(tái)，并揭示了氧氣微環(huán)境對(duì)腸道穩(wěn)態(tài)的核心調(diào)控作用。