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为解决人体肠道微生物群研究受限问题，研究人员开展在蠕动混合管式生物反应器 PETR 中培养寡聚小鼠微生物群 OMM12的研究。结果显示，PETR 能模拟多种结肠条件，其培养结果与小鼠模型有相似性，这为微生物群研究提供了新系统。
肠道微生物群与人类健康和疾病息息相关，在近几十年的研究中备受关注。然而，由于人体肠道微生物群的高度复杂性和多样性，以及受众多环境和社会因素影响，开展人体体内研究面临诸多挑战，如难以建立可控、可重复的实验条件，样本获取不便，还存在伦理限制等问题。为了更深入地探究肠道微生物群的奥秘，研究人员急需一种能够模拟人体肠道条件的体外培养系统，以此来克服体内研究的局限性。
在这样的背景下，国外研究人员开展了一项极具意义的研究。他们选用了蠕动混合管式生物反应器（PEristaltic mixed Tubular bioReactor，PETR），对寡聚小鼠微生物群（Oligo-Mouse-Microbiota，OMM12）进行体外培养，并将其与之前的体内数据进行对比。该研究成果发表在《Current Research in Biotechnology》上，为肠道微生物群的研究开辟了新的方向。
研究人员开展此项研究主要运用了以下几种关键技术方法：首先是厌氧培养技术，用于培养 OMM12中的各种菌株；其次是定量实时聚合酶链反应（qPCR），通过该技术来分析微生物群落的组成；最后是高效液相色谱（HPLC），以此来量化有机酸的含量 。研究中使用的 OMM12菌株来自莱布尼茨研究所 DSMZ 。
下面来看看具体的研究结果：
- 纯培养生长特征：研究人员将 OMM12菌株在混合培养基（Mixed Culture Medium，MCM）中进行纯培养。结果发现，这些细菌生长差异明显，可分为快速生长和慢速生长两组。同时，在生长过程中会形成多种有机酸，导致 pH 下降。例如，几乎所有菌株都产生乙酸，而 Clostridium innocuum I46 是唯一消耗乙酸的菌株，它可能通过利用其他细菌产生的乙酸来形成丁酸，这表明乙酸、甲酸和琥珀酸等可能是潜在的交叉喂养代谢物。
- 批次混合培养：在批次混合培养实验中，研究人员发现混合培养的生长、pH 下降和有机酸形成具有可重复性。在培养初期，快速生长的菌株占主导地位，随着时间推移，群落组成发生变化。在 48 小时的培养过程中，群落主要由 Bifidobacterium animalis YL2 和 Enterococcus faecalis KB1 主导，产生的主要有机酸为乳酸和乙酸。不过，该结果与小鼠模型中微生物群的组成存在差异，这表明需要进一步开展连续培养实验。
- 模拟结肠条件下的连续培养：PETR 的连续培养实验先进行 9.5 小时的批次培养阶段，之后进入连续培养。在批次培养阶段，细菌生长迅速，产生大量乳酸和少量甲酸。进入连续培养后，光密度（OD）持续上升，约 5 天后达到波动稳定状态。此时，关键短链脂肪酸（SCFAs）如乙酸、丙酸和丁酸的浓度增加，而乳酸等其他有机酸浓度下降。大约 6 天后，OD、有机酸浓度和微生物群组成基本保持稳定。
- PETR 中群落结构发展：通过对 PETR 中混合群落组成的分析发现，尽管接种物的相对丰度存在差异，但培养 6 小时后，不同实验的相对组成和有机酸谱相似，表明群落发展具有可重复性。在连续培养过程中，群落组成不断变化，6 天后趋于稳定。此外，PETR 的低剪切蠕动混合方式促进了生物膜的形成，生物膜中的微生物群落组成与浮游菌群不同。
- SCFA 形成的比较：研究人员将 PETR 培养中短链脂肪酸（SCFA）的浓度与人体体内情况进行对比。在批次培养阶段，几乎不产生 SCFA，而乳酸占主导。连续培养 6 天后，SCFA 浓度增加，但仅达到人体典型浓度的一半。同时，乙酸、丙酸和丁酸的摩尔比为 81:1:18，与人体的 57:22:21 存在差异，这表明丙酸形成不足，可能与培养基成分有关。
- 水和代谢物吸收：PETR 的透析系统能够吸收 40 - 50% 产生的有机酸，同时平均每天去除 670 mL 水，使 OD 在 5 天内翻倍。大多数有机酸在远端方向浓度略有降低，而丙酸在远端方向浓度略高，这与小鼠体内的观察结果一致，说明 PETR 能更真实地模拟自然结肠环境。
- 与无菌小鼠模型的比较：虽然小鼠和人体的肠道条件存在差异，但 PETR 体外培养与无菌小鼠模型仍有一些相似之处，如 Bacteroides caecimuris I48 在两者中比例都较高，且初始定植模式相似。不过，两者的微生物群组成也存在显著差异，这可能是由于环境条件、营养可用性等因素导致的。
综合研究结论和讨论部分，该研究意义重大。定义明确的肠道菌群组合是微生物群基础研究的有力工具，OMM12在 PETR 中的连续培养结果表明，PETR 能模拟多种结肠条件，使微生物群落结构和代谢稳定发展，且与无菌小鼠模型有一定相似性。尽管存在差异，但 PETR 已被证实是一个非常适合微生物群研究的系统，可用于食品研究、医学应用等多个领域，如研究新型食品、药物与微生物群的相互作用等，为后续相关研究奠定了坚实基础。
