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为解决传统细胞培养系统无法重现上皮细胞、免疫细胞与肠道细菌复杂相互作用的问题，研究人员开发微流控装置，构建三培养模型。结果显示该模型可模拟炎症反应，且有望用于抗 IBD 药物筛选。
炎症性肠病（IBD）如同隐藏在人体消化道的 “沉默杀手”，其发病机制与肠上皮屏障破坏、免疫过度激活及肠道菌群失衡密切相关。然而，传统细胞培养系统难以模拟肠上皮细胞、免疫细胞和肠道细菌之间的复杂互动，这使得科学家们难以深入探究 IBD 的发病机制及开发有效的治疗药物。在此背景下，一项发表在《European Journal of Cell Biology》的研究应运而生，旨在突破传统模型的局限，为 IBD 研究开辟新路径。
日本研究人员开展了相关研究，他们开发了一种微流控装置，并构建了包含肠上皮细胞（C2BBe1）、巨噬细胞（RAW264）和大肠杆菌（E. coli）的三培养模型，深入探究肠道细菌触发巨噬细胞炎症反应及对肠上皮细胞的影响。研究发现，该模型能有效模拟微生物侵袭肠黏膜引发的炎症反应，且通过抑制 NF-κB 通路的药物验证了其在抗 IBD 药物筛选中的潜力。
研究用到的主要关键技术方法包括：微流控装置设计与制作，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚苯乙烯（PS）材料构建双通道结构，中间以多孔膜分隔；跨上皮电阻（TEER）测量，通过电极实时监测肠上皮细胞紧密连接状态；细胞与细菌共培养技术，精确控制细菌浓度和培养液流速；分子生物学检测，如逆转录定量 PCR（RT-qPCR）和酶联免疫吸附测定（ELISA），用于分析炎症因子表达和蛋白水平；免疫荧光染色和扫描电子显微镜（FE-SEM）观察细胞形态和紧密连接蛋白分布。
炎症反应与细胞毒性评估
通过荧光延时显微镜观察发现，RAW264 细胞可有效吞噬 cyan 标记的大肠杆菌，基因表达分析显示，共培养 6 小时后，RAW264 细胞中 TNF-α、IL-6、IL-1β 和 MIP-2 等炎症因子显著上调。WST-8 实验表明，TNF-α 对 C2BBe1 细胞具有剂量依赖性毒性，高浓度 TNF-α 可导致大量细胞死亡，证实了巨噬细胞产生的炎症因子对肠上皮屏障的破坏作用。
微流控装置设计与剪切应力分析
第一代 PDMS 微流控装置包含上下两个通道，中间以 0.4μm 多孔聚碳酸酯膜分隔，集成电极用于 TEER 测量。数值模拟显示，通道中央的剪切应力在恒定流速下保持稳定，为细胞培养提供了均匀的流体环境。C2BBe1 细胞在装置中可形成紧密连接，TEER 值在培养第 4 天达到峰值，免疫荧光染色显示 ZO-1 蛋白在细胞边界正常表达，扫描电镜观察到细胞具有极性，微绒毛仅分布于顶端。
三培养模型中的炎症反应与屏障破坏
在 PDMS 装置中进行三培养实验，结果显示，加入大肠杆菌 24 小时后，TEER 值显著下降，C2BBe1 细胞单层出现损伤，RAW264 细胞中炎症因子基因表达上调，C2BBe1 细胞中 IL-8 表达增加，表明大肠杆菌通过激活巨噬细胞引发炎症反应，导致肠上皮屏障破坏。为模拟厌氧环境，开发了 PS 材质的第二代装置，其气体渗透性低，可维持稳定的厌氧状态。在 PS 装置中，三培养模型同样显示大肠杆菌可导致 TEER 下降、炎症因子产生和细胞凋亡增加，证实了模型的可靠性。
药物筛选与机制研究
以 IκB 激酶 2 抑制剂 TPCA-1 为例，在 PS 装置的三培养模型中，加入 1μM TPCA-1 可显著抑制 RAW264 细胞中 TNF-α、IL-1β、IL-6 和 MIP-2 的表达，维持 C2BBe1 细胞紧密连接，TEER 值保持稳定。C2BBe1 细胞中 TJP3 表达显著增加，表明 TPCA-1 通过抑制 NF-κB 通路减轻炎症反应，保护肠上皮屏障。
该研究成功开发了一种基于微流控技术的 IBD 三培养模型，首次在体外重现了肠道细菌、巨噬细胞和肠上皮细胞之间的动态互作，揭示了巨噬细胞在 IBD 炎症启动中的关键作用。模型通过流体控制实现了细菌与细胞的安全共培养，克服了传统培养系统的污染问题，为研究 IBD 发病机制提供了直观的可视化平台。此外，PS 装置对厌氧环境的模拟能力为后续研究肠道厌氧菌群在 IBD 中的作用奠定了基础。药物筛选实验证实了模型在抗 IBD 药物开发中的实用性，为靶向 NF-κB 通路的抗炎治疗提供了新方向。该模型有望减少动物实验的依赖，推动个性化医疗和益生菌研发，为 IBD 的精准治疗开辟新途径。
