肠道芯片成"预言家"！提前十年揭示现代人菌群危机的源头

人体肠道作为生物力学活跃的器官，通过周期性机械力（如蠕动和节段性收缩）维持健康和功能。这些机械力不仅促进消化、营养吸收和废物排出，还可能对肠道微生物群的动态产生深远影响。然而，尽管临床证据表明肠道运动障碍与肠道微生物群组成改变之间存在关联，但关于这些机械力如何具体影响肠道微生物行为的研究仍然有限。传统的研究方法，如二维系统或微流体装置，往往缺乏生理相关的三维肠道环境和机械刺激的综合效应，难以准确模拟肠道内的实际情况。因此，开发一种能够模拟肠道机械运动、提供生理相关的三维栖息环境并支持高分辨率成像以可视化微生物群落动态的模型系统显得尤为重要。

2025年4月9日，新加坡国立大学健康创新与技术研究所Jeeyeon Lee和Chwee Teck Lim教授联合在《Small》期刊上发表了题为“Dynamics of Spatial Organization of Bacterial Communities in a Tunable Flow Gut Microbiome-on-a-Chip”的研究论文，该研究揭示了肠道机械运动对微生物群落组织和行为的调控作用，为理解宿主-微生物相互作用提供了新的视角，并为开发基于微生物组的治疗策略提供了理论基础。

该研究开发了一种新型可调流肠道微生物芯片（tfGMoC），能够模拟肠道蠕动和节段性收缩，并在三维仿生肠道上皮中实现微生物群落的高倍率成像。芯片通过顶部气室的周期性充气与抽气，实现细胞培养腔室的动态压缩与扩张，同时利用注射泵产生持续流体流动，模拟肠道内的剪切流。另外，研究还发现，tfGMoC中的机械刺激显著促进了三维肠道上皮（μGut）的隐窝-绒毛轴形成和黏液分泌，尤其在扩张模式下，μGut的绒毛高度和黏液分泌量显著增加。以运动型大肠杆菌Nissle 1917（EcN）和非运动型乳酸杆菌GG（LGG）为模型细菌，研究发现机械力对细菌空间探索行为有显著影响。运动型EcN在三维空间内自由探索，受机械力影响较小；而非运动型LGG在扩张模式下表现出更均匀的空间分布和显著的表型变化，形成密集的细菌簇。在混合细菌群落中，剪切流模式下形成空间混合的群落，运动型EcN占据主导；而扩张模式下形成空间分隔的群落，每种细菌占据不同空间位置，实现资源分配和稳定共存，显著提升了群落的多样性和稳定性。

总之，该研究通过开发tfGMoC平台，深入剖析了肠道机械力对肠道微生物群落空间组织动态的调控作用。研究结果揭示，肠道机械力通过对细菌空间探索行为和群落组织的调节，显著影响肠道微生物群落的多样性和稳定性。特别是在扩张模式下形成的独特空间分隔群落组织，为深入理解宿主与微生物群的相互作用机制开辟了全新视野，并为基于微生物群的治疗策略开发提供了坚实的理论基础。此外，tfGMoC平台的成功开发，为未来深入研究肠道微生物群动态变化以及宿主 - 微生物群相互作用提供了强有力的工具支持，有望推动相关领域的研究迈向新的高度。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202410258