高通量通用肠道模拟器HUGS：一种兼具环境可控性与高通量优势的体外结肠微生物组研究平台

《Scientific Reports》：The novel HUGS colon model enables high-throughput parallel cultivation of metabolically active human gut microbiomes in vitro

　　

摘要

体外模拟人体肠道环境的模型是了解胃肠道微生物组复杂性及其与食物成分和其他环境因素相互作用的有用工具。然而，现有的结肠模型要么相对简单，导致重要参数无法控制（如结肠pH值），要么通量较低。本文介绍了HUGS（高通量通用肠道模拟器）方案，用于在体外模拟结肠通过过程，提供了一种高通量方法来研究肠道微生物组动态。通过复现升结肠条件，包括可控的pH值、厌氧环境和温度，我们旨在模拟肠道环境，同时保持实验可扩展性。使用HUGS方案评估了发酵菜籽粕、大豆粕、海藻和不同木聚糖单独及组合使用的微生物组调节效果。所得的体外结肠微生物组组成通过16S rRNA基因扩增子测序确定，而短链脂肪酸（SCFA）的产生量通过离子交换色谱法定量，以评估微生物代谢活性。在单次24小时运行期间，HUGS可同时进行32个独立发酵操作，每个操作在厌氧条件下独立控制pH值。该模型支持关键厌氧肠道微生物的生长，包括普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）和嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila），同时保持了原始粪便微生物群在门水平上的主要特征。尽管发酵后α多样性降低——这在短期体外结肠模型中通常可以观察到——但专性厌氧类群在整个实验过程中仍保持丰富。总体而言，底物处理未产生明显不同的聚类模式。然而，差异丰度分析确定了特定类群的底物依赖性变化，包括嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）和柠檬片球菌（Leuconostoc citreum）相对丰度增加，以及在含有发酵植物材料的发酵中痤疮丙酸杆菌（Cutibacterium acnes）和腐败梭菌（Clostridium perfringens）丰度降低。不同底物配方之间的SCFA产生量存在差异，包括在发酵大豆粕和海藻配方中添加木聚糖后总SCFA浓度显著降低（p校正 = 0.016）。这些发现表明，HUGS 体外结肠模型将具有生理学相关性的环境控制与相比现有结肠模拟平台大幅提升的通量相结合。通过支持关键厌氧肠道微生物的生长，同时保持对具有生物学意义的底物依赖性反应的敏感性，HUGS被认为是基础研究和转化研究中高通量筛选膳食纤维、饲料添加剂和微生物组调节化合物的一个有前景的平台。