A novel system to culture human intestinal organoids under physiological oxygen content to study microbial-host interaction 微生物-一種在生理氧含量下培養人腸道類器官以研究微生物-宿主相互作用的新型系統

來源：PLOS ONE  July 25, 2024

1. 摘要核心內容

論文開發了一種名為 IOPC（Intestinal Organoid Physoxic Coculture） 的新型培養系統，用于在生理氧條件下共培養人腸道類器官（HIOs）與厭氧腸道細菌。該系統通過模擬腸道上皮的氧梯度（頂端厭氧、基底側生理性低氧），成功支持了如 Bacteroides thetaiotaomicron（耐低氧）和 Blautia sp.（嚴格厭氧）等腸道菌的存活，并揭示了宿主-微生物互作對腸道屏障功能、基因表達和免疫調節的影響。

2. 研究目的

核心問題：解決腸道上皮細胞（需氧）與腸道微生物（多為厭氧）共培養的技術瓶頸。

目標：開發一種簡單、低成本、可模擬體內氧梯度的共培養系統（IOPC），用于研究生理氧條件下宿主-微生物互作的機制。

3. 研究思路

系統設計：

利用氣密培養盒（含氣體滲透膜底部的24孔板）分隔基底側（通入5.6% O?混合氣）和頂端（厭氧環境）。

HIOs單層生長于Transwell膜上，通過細胞代謝消耗頂端殘留氧，維持厭氧環境（圖1B-D）。

驗證系統：

測量溶解氧、細胞活性、形態和基因表達，確認生理氧條件（圖1E-G）。

微生物共培養：

接種厭氧菌（B. thetaiotaomicron 或 Blautia sp.），檢測細菌存活、定位及對HIOs的影響（圖3A-C）。

宿主響應分析：

通過TEER（跨上皮電阻）和qPCR陣列，評估屏障功能、免疫基因表達變化（圖2, 4）。

4. 測量數據及其意義與圖表來源

測量指標 研究意義 圖表來源

溶解氧濃度 驗證IOPC成功模擬體內氧梯度（頂端厭氧、基底側生理氧）。 圖1G, S1B-C (S2 File)

細胞存活率與形態 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） 表明生理氧增強腸道屏障功能；微生物共培養降低TEER（供體特異性）。 圖2A, 3D, S2 (S2 File)

基因表達（qPCR陣列） 揭示生理氧上調屏障/抗菌基因（如 TLR4, MYD88），下調炎癥基因（如 IL8, TLR2）；微生物共培養進一步調節免疫通路（如抑制 NFKB1, CASP1）。 圖2B-E, 4, S3-S6 (S2 File)

細菌存活與定位 證實IOPC支持厭氧菌生長（依賴HIOs代謝）；細菌與上皮互作動態可視化。 圖3A-C

轉錄組與通路分析 明確氧條件與微生物共培養對NF-κB、細胞增殖等通路的調控。 S1-S2 Tables

5. 結論

IOPC系統有效性：

成功模擬腸道氧梯度（頂端厭氧/基底側5.6% O?），支持厭氧菌與HIOs共培養24–48小時。

生理氧的生物學效應：

增強HIOs屏障功能（TEER↑）、促進抗菌基因表達、抑制炎癥反應。

微生物-宿主互作：

厭氧菌誘導免疫調節（如 B. thetaiotaomicron 下調促凋亡基因 CASP1），且效應具有 供體特異性（如J3系對 Blautia 敏感導致TEER驟降）。

技術優勢：

低成本、易組裝（無需3D打印/微流控），可推廣用于個性化醫療研究（如FMT療效評估）。

6. Unisense電極測量數據的詳細解讀

數據來源與方法

技術：使用丹麥Unisense公司500μm Clark型微電極（高精度氧傳感器）。

測量位點：Transwell頂端與基底側培養基（圖1G）。

校準：在無氧條件（0% O?）和大氣氧（21% O?）下校準。

關鍵結果與意義

氧梯度驗證（圖1G）：

頂端：氧濃度 低于檢測限（完全厭氧）。

基底側：氧濃度與輸入氣體一致（5.6%或10.2% O?）。

意義：直接證明IOPC成功復現了腸道生理氧環境（體內類比：腸腔厭氧 vs. 固有層低氧）。

HIOs的氧清除作用（S1B-C, S2 File）：

無HIOs時，頂端殘留氧達3–4%；有HIOs時，2小時內降至厭氧。

意義：HIOs代謝是維持頂端厭氧的關鍵，為嚴格厭氧菌（如 Blautia sp.）存活提供基礎。

系統可靠性：

電極數據與COMSOL模型預測一致（S1C），證實IOPC設計的科學性。

意義：為后續微生物共培養實驗提供可信的氧環境保障，避免因氧毒性導致的假陰性結果。

研究價值

解決核心矛盾：提供首個直接證據表明單一系統可同時滿足宿主（需低氧）與微生物（需厭氧）的氧需求。

推動機制研究：明確氧梯度是驅動屏障功能增強（如TEER↑）和免疫基因調控（如HIF-1α↑）的關鍵變量，為研究氧敏感通路（如NF-κB）奠定基礎。

總結

IOPC系統通過Unisense電極驗證的精確氧控制，解決了腸道宿主-微生物共培養的技術難題，首次在體外重現了腸道生理氧微環境。該系統不僅揭示了氧條件對上皮屏障和免疫基因的調控作用，還證明了厭氧菌共培養可誘導供體特異性免疫調節，為研究腸道疾病機制和個性化療法提供了高效平臺。