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來源：PLOS ONE July 25, 2024
1. 摘要核心內(nèi)容
論文開發(fā)了一種名為 IOPC（Intestinal Organoid Physoxic Coculture） 的新型培養(yǎng)系統(tǒng)，用于在生理氧條件下共培養(yǎng)人腸道類器官（HIOs）與厭氧腸道細(xì)菌。該系統(tǒng)通過模擬腸道上皮的氧梯度（頂端厭氧、基底側(cè)生理性低氧），成功支持了如 Bacteroides thetaiotaomicron（耐低氧）和 Blautia sp.（嚴(yán)格厭氧）等腸道菌的存活，并揭示了宿主-微生物互作對(duì)腸道屏障功能、基因表達(dá)和免疫調(diào)節(jié)的影響。
2. 研究目的
核心問題：解決腸道上皮細(xì)胞（需氧）與腸道微生物（多為厭氧）共培養(yǎng)的技術(shù)瓶頸。
目標(biāo)：開發(fā)一種簡(jiǎn)單、低成本、可模擬體內(nèi)氧梯度的共培養(yǎng)系統(tǒng)（IOPC），用于研究生理氧條件下宿主-微生物互作的機(jī)制。
3. 研究思路
系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
利用氣密培養(yǎng)盒（含氣體滲透膜底部的24孔板）分隔基底側(cè)（通入5.6% O?混合氣）和頂端（厭氧環(huán)境）。
HIOs單層生長(zhǎng)于Transwell膜上，通過細(xì)胞代謝消耗頂端殘留氧，維持厭氧環(huán)境（圖1B-D）。
驗(yàn)證系統(tǒng)：
測(cè)量溶解氧、細(xì)胞活性、形態(tài)和基因表達(dá)，確認(rèn)生理氧條件（圖1E-G）。
微生物共培養(yǎng)：
接種厭氧菌（B. thetaiotaomicron 或 Blautia sp.），檢測(cè)細(xì)菌存活、定位及對(duì)HIOs的影響（圖3A-C）。
宿主響應(yīng)分析：
通過TEER（跨上皮電阻）和qPCR陣列，評(píng)估屏障功能、免疫基因表達(dá)變化（圖2, 4）。
4. 測(cè)量數(shù)據(jù)及其意義與圖表來源
測(cè)量指標(biāo) 研究意義 圖表來源
溶解氧濃度 驗(yàn)證IOPC成功模擬體內(nèi)氧梯度（頂端厭氧、基底側(cè)生理氧）。 圖1G, S1B-C (S2 File)
細(xì)胞存活率與形態(tài) 證明IOPC維持HIOs活性與正常極性/黏液分泌，無毒性。 圖1E-F
TEER（跨上皮電阻） 表明生理氧增強(qiáng)腸道屏障功能；微生物共培養(yǎng)降低TEER（供體特異性）。 圖2A, 3D, S2 (S2 File)
基因表達(dá)（qPCR陣列） 揭示生理氧上調(diào)屏障/抗菌基因（如 TLR4, MYD88），下調(diào)炎癥基因（如 IL8, TLR2）；微生物共培養(yǎng)進(jìn)一步調(diào)節(jié)免疫通路（如抑制 NFKB1, CASP1）。 圖2B-E, 4, S3-S6 (S2 File)
細(xì)菌存活與定位 證實(shí)IOPC支持厭氧菌生長(zhǎng)（依賴HIOs代謝）；細(xì)菌與上皮互作動(dòng)態(tài)可視化。 圖3A-C
轉(zhuǎn)錄組與通路分析 明確氧條件與微生物共培養(yǎng)對(duì)NF-κB、細(xì)胞增殖等通路的調(diào)控。 S1-S2 Tables
5. 結(jié)論
IOPC系統(tǒng)有效性：
成功模擬腸道氧梯度（頂端厭氧/基底側(cè)5.6% O?），支持厭氧菌與HIOs共培養(yǎng)24–48小時(shí)。
生理氧的生物學(xué)效應(yīng)：
增強(qiáng)HIOs屏障功能（TEER↑）、促進(jìn)抗菌基因表達(dá)、抑制炎癥反應(yīng)。
微生物-宿主互作：
厭氧菌誘導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)（如 B. thetaiotaomicron 下調(diào)促凋亡基因 CASP1），且效應(yīng)具有 供體特異性（如J3系對(duì) Blautia 敏感導(dǎo)致TEER驟降）。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
低成本、易組裝（無需3D打印/微流控），可推廣用于個(gè)性化醫(yī)療研究（如FMT療效評(píng)估）。
6. Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀
數(shù)據(jù)來源與方法
技術(shù)：使用丹麥Unisense公司500μm Clark型微電極（高精度氧傳感器）。
測(cè)量位點(diǎn)：Transwell頂端與基底側(cè)培養(yǎng)基（圖1G）。
校準(zhǔn)：在無氧條件（0% O?）和大氣氧（21% O?）下校準(zhǔn)。
關(guān)鍵結(jié)果與意義
氧梯度驗(yàn)證（圖1G）：
頂端：氧濃度 低于檢測(cè)限（完全厭氧）。
基底側(cè)：氧濃度與輸入氣體一致（5.6%或10.2% O?）。
意義：直接證明IOPC成功復(fù)現(xiàn)了腸道生理氧環(huán)境（體內(nèi)類比：腸腔厭氧 vs. 固有層低氧）。
HIOs的氧清除作用（S1B-C, S2 File）：
無HIOs時(shí)，頂端殘留氧達(dá)3–4%；有HIOs時(shí)，2小時(shí)內(nèi)降至厭氧。
意義：HIOs代謝是維持頂端厭氧的關(guān)鍵，為嚴(yán)格厭氧菌（如 Blautia sp.）存活提供基礎(chǔ)。
系統(tǒng)可靠性：
電極數(shù)據(jù)與COMSOL模型預(yù)測(cè)一致（S1C），證實(shí)IOPC設(shè)計(jì)的科學(xué)性。
意義：為后續(xù)微生物共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)提供可信的氧環(huán)境保障，避免因氧毒性導(dǎo)致的假陰性結(jié)果。
研究?jī)r(jià)值
解決核心矛盾：提供首個(gè)直接證據(jù)表明單一系統(tǒng)可同時(shí)滿足宿主（需低氧）與微生物（需厭氧）的氧需求。
推動(dòng)機(jī)制研究：明確氧梯度是驅(qū)動(dòng)屏障功能增強(qiáng)（如TEER↑）和免疫基因調(diào)控（如HIF-1α↑）的關(guān)鍵變量，為研究氧敏感通路（如NF-κB）奠定基礎(chǔ)。
總結(jié)
IOPC系統(tǒng)通過Unisense電極驗(yàn)證的精確氧控制，解決了腸道宿主-微生物共培養(yǎng)的技術(shù)難題，首次在體外重現(xiàn)了腸道生理氧微環(huán)境。該系統(tǒng)不僅揭示了氧條件對(duì)上皮屏障和免疫基因的調(diào)控作用，還證明了厭氧菌共培養(yǎng)可誘導(dǎo)供體特異性免疫調(diào)節(jié)，為研究腸道疾病機(jī)制和個(gè)性化療法提供了高效平臺(tái)。