综述：从生物反应器到类器官：培养和理解微生物群的工具

《Indian Journal of Microbiology》：From Bioreactors to Organoids: Tools for Culturing and Understanding Microbiota

这篇综述聚焦肠道微生物群，探讨了饮食、药物和疾病对其组成及肠道生理的影响。分析了体外、微流控和离体肠道微生物群培养模型的设计、优缺点，为开发新型体外微生物群培养模型提供参考，助力肠道微生物群研究。

　　### 肠道微生物群研究背景
肠道微生物群在人体健康中扮演着极为重要的角色，这一认知正随着研究的深入不断加深。大量新证据表明，肠道微生物群与人体健康密切相关，其组成和功能的变化可能引发一系列健康问题。饮食、药物以及疾病，是影响肠道微生物群组成的主要外部因素。这些因素会进一步导致肠道生理发生改变，而肠道微生物群受外部因素影响产生的变化，与免疫和神经系统紊乱密切相关。

传统的体内研究和动物模型在探究肠道微生物群时存在诸多问题。比如，进行体内研究往往涉及复杂的外科手术操作；动物组织与人体组织在对各种刺激的反应上存在差异，这使得研究结果难以直接外推至人类；同时，动物实验还面临着严格的伦理审查。鉴于这些困难，在体外培养微生物群成为获取更多关于肠道微生物群信息的重要途径，有助于深入理解外部因素对肠道微生物群功能的影响机制。

现有培养模型概述

为了在体外模拟肠道环境培养微生物群，研究人员开发了多种肠道模型。其中，多级动态体外发酵罐是一大类重要模型，它能模拟胃、小肠和结肠的不同环境条件，为微生物群的生长提供适宜的环境。通过精确调控发酵罐内的温度、pH 值、营养物质浓度等参数，可以尽可能地还原肠道内的复杂环境，使微生物群在体外实现稳定生长和代谢。

然而，在体外模型中实现宿主细胞与微生物群的共培养面临挑战。宿主细胞和微生物群对培养基成分和氧气的需求差异很大。普通的体外培养环境难以同时满足两者的要求，这限制了对宿主 - 微生物群相互作用的研究。不过，基于微流控技术的肠道芯片模型取得了突破。该模型通过半透膜连接不同的通道，实现了宿主细胞和微生物群在各自适宜环境下的共培养。这种设计既保证了宿主细胞和微生物群之间的物质交换，又能满足它们不同的培养条件需求，为研究宿主 - 微生物群相互作用提供了有力工具 。

离体系统则具有独特优势。它使用个体的外植体或宿主组织，能更接近真实的宿主信号环境。这使得离体系统在研究宿主 - 微生物群相互作用以及微生物群相关疾病机制方面，比其他体外模型更具优势，能提供更接近体内真实情况的研究数据。

各类模型的设计考量

在设计体外培养模型时，要考虑多个关键因素。首先是模拟肠道环境的准确性，包括物理化学条件如温度、pH 值，以及营养物质的种类和浓度。不同部位的肠道环境差异很大，例如胃内呈酸性环境，小肠内则是弱碱性且含有丰富的消化酶和营养物质，结肠内主要进行发酵过程。模型需要精确模拟这些差异，才能支持微生物群的正常生长和代谢。

对于微流控芯片模型，通道的设计和半透膜的选择至关重要。通道的尺寸、形状和布局会影响物质的流动和交换效率，而半透膜的孔径、通透性和生物相容性则决定了宿主细胞和微生物群之间的物质交换程度和选择性。合适的半透膜既能允许营养物质、代谢产物等小分子物质通过，又能阻止微生物群和宿主细胞的直接接触，避免相互干扰。

离体系统的设计重点在于如何维持外植体或宿主组织的活性和功能。需要提供合适的培养基、气体环境以及物理支撑结构，确保组织在体外培养过程中能够保持正常的生理状态，进而准确反映宿主 - 微生物群的相互作用。

模型的优缺点分析

体外发酵罐模型的优点是能大规模培养微生物群，便于进行各种实验操作和参数调控。可以精确控制培养条件，研究不同因素对微生物群生长和代谢的影响。但它的缺点也很明显，无法真实模拟宿主与微生物群的相互作用，缺乏体内复杂的生理环境，不能反映微生物群在体内的真实行为。

微流控芯片模型的优势在于能够实现宿主细胞和微生物群的共培养，更接近体内的生理环境，有利于研究两者之间的相互作用机制。而且微流控技术具有微型化、高通量的特点，可以同时进行多个实验条件的测试。然而，该模型构建复杂，成本较高，对实验操作技术要求也很高，限制了其广泛应用。

离体系统最大的优点是高度还原宿主信号环境，能真实反映宿主 - 微生物群的相互作用，为研究微生物群相关疾病机制提供了理想的平台。但它也存在局限性，外植体或宿主组织来源有限，培养时间较短，且不同个体组织之间存在差异，可能影响实验结果的一致性和可重复性。

对未来研究的展望

综合分析现有模型的特点和不足，对开发新型体外微生物群培养模型具有重要意义。未来的模型应在更准确模拟体内环境、简化操作流程、降低成本以及提高实验结果的可重复性等方面进行改进。例如，可以结合多种技术，构建更加复杂和智能化的模型，整合不同模型的优势，实现对肠道微生物群更深入的研究。这不仅有助于揭示肠道微生物群与人体健康的关系，还可能为相关疾病的诊断、治疗和预防提供新的思路和方法 。

通过对现有体外、微流控和离体肠道微生物群培养模型的设计、优缺点进行全面分析，为后续研究提供了丰富的参考信息，有望推动新型体外微生物群培养模型或方法的开发，促进肠道微生物群领域的研究进展。