小鼠和人类对病原体的耐受性不同

哈佛大学Wyss生物工程研究所和哈佛医学院的一个合作团队利用了Wyss的微流体器官芯片技术，在体外模拟了小鼠肠道的不同解剖部分，以及它们与复杂的活微生物群落的共生关系。在对小鼠和人类微生物群的比较分析中，研究人员能够确认共生细菌屎肠球菌有助于宿主对鼠伤寒沙门氏菌感染的耐受。

　　

(波士顿)——数万亿的共生微生物生活在身体的粘膜和表皮表面，而且可以确定，这种微生物组影响宿主对各种病原体的耐受性和敏感性。然而，宿主对病原体感染的耐受性并不是在所有生物体中都同样发展的。例如，已知老鼠的肠道微生物组比人类肠道微生物组更有效地保护某些病原体，如鼠伤寒沙门氏菌。

这提出了一种有趣的可能性，即分析人类和其他物种(如老鼠)宿主微生物组相互作用的差异，并找出能够保护或对某些病原体敏感的个别类型的细菌，可能会导致全新类型的治疗方法。然而,尽管肠道微生物组成及其对宿主免疫反应的影响研究在老鼠,是不可能学习如何直接与上皮细胞衬肠道微生物组交互定义高度条件下,从而揭示特定菌株能够诱导host-tolerance传染性病原体。

现在,一个协作的团队由唐纳德·因格贝尔Wyss创始董事,医学博士,博士在哈佛大学生物工程研究所和丹尼斯·卡斯帕,哈佛大学医学院的医学博士(HMS)利用Wyss的微流体Organs-on-Chip(器官芯片)技术模型的不同解剖部分小鼠肠和一个复杂的共生微生物体外生活。研究人员在设计的小鼠结肠芯片中重现了鼠链球菌对肠道上皮表面的破坏作用，并且在小鼠和人类微生物群的比较分析中能够证实粪肠球菌共生菌有助于宿主对鼠链球菌感染的耐受。这项研究发表在《细胞与感染微生物学前沿》上。

该项目是在美国国防部高级研究计划局(darpa)支持的怀斯研究所(Wyss Institute)的“宿主恢复力技术”(THoR)项目下启动的，其目标是通过研究某些动物物种和人类之间观察到的差异，揭示对感染耐受性的关键贡献。Ingber的团队利用人类结肠芯片，在之前的研究中表明，来自老鼠和人类粪便的微生物产生的代谢物对肠出血性大肠杆菌病原体的感染具有不同的潜在影响。

“生物医学研究很大程度上依赖于动物模型，如小鼠，这无疑带来了巨大的好处，但并没有提供机会对特定器官(如肠道)的正常和病理过程进行近距离和实时研究。与Dennis Kasper团队进行的这项重要的概念验证研究突出表明，我们的转基因小鼠肠道芯片平台恰恰提供了这种能力，并提供了在体外高度可控条件下研究宿主微生物组与不同物种微生物组相互作用的可能性。”“考虑到小鼠免疫学的深层特征，这种能力可以极大地促进研究人员的工作，他们目前正在用这些动物做微生物组和宿主反应的研究。这使他们能够在未来将他们获得的结果与人类肠道芯片直接进行比较，这样就可以将重点放在识别与人类最相关的宿主反应特征上。”Ingber还是HMS和波士顿儿童医院血管生物学的Judah Folkman教授，以及哈佛大学约翰保尔森工程和应用科学学院的生物工程教授。

设计小鼠肠芯片平台

在他们的新研究中，研究小组集中研究了老鼠的肠道。“传统上很难模拟任何有机体之外的宿主-微生物组相互作用，因为许多细菌都是严格厌氧的，并在正常的大气氧气条件下死亡。器官芯片技术可以重现这些条件，而且从老鼠身上获得原始肠道和免疫细胞比依靠人类活组织检查要容易得多，”第一作者弗朗西斯卡·加扎尼加博士说，她是Ingber和Kasper团队的博士后研究员，也是该项目的先锋。

Gazzaniga和她的同事们从不同地区分离出肠道隐窝的老鼠肠道,包括十二指肠、空肠、回肠、结肠,把他们的细胞通过一个中间“瀑样”介入文化小组织碎片形成和生长,然后播种成两个平行灌注microfluidically频道之一Wyss“器官芯片创建有针对性肠芯片。第二个独立灌注通道模拟血管系统，并由一个多孔膜与第一个分离，该多孔膜允许营养物质、代谢物和分泌分子的交换，肠上皮细胞使用这些分子与血管和免疫细胞沟通。

找到病原体

研究小组随后将注意力集中在鼠伤寒这种病原体上。首先,他们介绍了病原体转基因小鼠结肠上皮内腔的芯片和重现了关键特性与故障相关的肠道组织完整性从老鼠的研究,包括中断通常相邻的上皮细胞之间的紧密粘连,减少粘液的生产,关键炎症趋化因子的分泌激增(人类引发的鼠标同族体),以及上皮基因表达的变化。与此同时，他们发现小鼠结肠芯片可以支持通常存在于小鼠和人类肠道微生物群中的复杂细菌团的生长和生存。

把这些能力放在一起，研究人员比较了特定的小鼠和人类微生物团的效果，这些微生物团之前在“非生物”小鼠的肠道中保持稳定，这些小鼠被Kasper团队安置在无菌环境中。通过从这些小鼠的粪便中收集复杂的微生物群，然后将它们接种到结肠芯片中，研究人员观察了芯片对芯片组成的变化，这使他们能够将微生物组成与宿主上皮细胞的功能影响联系起来。加扎尼加说:“使用16s测序让我们对两种菌群的微生物组成有了很好的了解，而且结肠芯片中只有一种菌产生了大量的粪肠球菌，这使得肠道组织能够更好地忍受感染。”“这很好地证实了过去的发现，并验证了我们的方法作为一个新的发现平台，我们现在可以用来研究这些影响的机制，以及重要的免疫细胞对宿主耐受性的贡献，以及涉及其他病原体的感染过程。”

“芯片上的小鼠肠道技术提供了一种独特的方法来了解肠道微生物群、宿主免疫和微生物病原体之间的关系。这种重要的相互关系在活体动物中研究是具有挑战性的，因为有很多不可控的因素。这个系统的美妙之处在于，你想要研究的所有参数基本上都是可控的，可以很容易地监控。该系统是非常有用的一步，”卡斯珀说，他是威廉·埃勒里·钱宁医学教授和HMS免疫学教授。

研究人员相信，他们的体外比较方法可以发现病原体和共生细菌与肠道上皮细胞和免疫细胞之间的特定交叉作用，并且确定的耐药增强细菌可以用于未来的治疗，这可能会避免致病菌菌株抗菌素耐药性增加的问题。

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通过本杰明Boettner

该研究也由前任和现任Wyss研究所研究员Diogo Camacho博士，Alexandre Dinis, Francis Grafton, Mark Cartwright博士，和Michael Super博士撰写;和孟Wu博士，以及mathieus Palazzo在Kasper的团队。该项目由美国国防部高级研究计划局雷神拨款项目(# W911NF-16-C-0050)资助。

媒体联系人

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所

本杰明·伯特纳，[e-mail]， [phone]

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所(http://wyss.harvard.edu)利用自然的设计原则开发生物启发材料和设备，将改变医学并创造一个更可持续的世界。Wyss的研究人员正在为医疗保健、能源、建筑、机器人和制造业开发创新的新工程解决方案，并通过与临床研究人员、企业联盟和新初创企业的合作，将其转化为商业产品和治疗。Wyss研究所创造了革命性的技术突破,从事高风险的研究,和十字架纪律和制度障碍,作为一个联盟,包括哈佛大学的学校医学、工程、艺术与科学学院和设计,并与贝斯以色列女执事医疗中心合作,布莱根妇女医院,波士顿儿童医院,丹娜-法伯癌症研究所,马萨诸塞州总医院,马萨诸塞大学医学院斯波尔丁康复医院，波士顿大学，塔夫茨大学，Charité - Universit?tsmedizin柏林，苏黎世大学和麻省理工学院。