A novel system to culture human intestinal organoids under physiological oxygen content to study microbial-host interaction 微生物-一种在生理氧含量下培养人肠道类器官以研究微生物-宿主相互作用的新型系统

来源：PLOS ONE  July 25, 2024


1. 摘要核心内容


论文开发了一种名为 IOPC（Intestinal Organoid Physoxic Coculture） 的新型培养系统，用于在生理氧条件下共培养人肠道类器官（HIOs）与厌氧肠道细菌。该系统通过模拟肠道上皮的氧梯度（顶端厌氧、基底侧生理性低氧），成功支持了如 Bacteroides thetaiotaomicron（耐低氧）和 Blautia sp.（严格厌氧）等肠道菌的存活，并揭示了宿主-微生物互作对肠道屏障功能、基因表达和免疫调节的影响。

2. 研究目的


核心问题：解决肠道上皮细胞（需氧）与肠道微生物（多为厌氧）共培养的技术瓶颈。

目标：开发一种简单、低成本、可模拟体内氧梯度的共培养系统（IOPC），用于研究生理氧条件下宿主-微生物互作的机制。


3. 研究思路


系统设计：

利用气密培养盒（含气体渗透膜底部的24孔板）分隔基底侧（通入5.6% O₂混合气）和顶端（厌氧环境）。

HIOs单层生长于Transwell膜上，通过细胞代谢消耗顶端残留氧，维持厌氧环境（图1B-D）。

验证系统：

测量溶解氧、细胞活性、形态和基因表达，确认生理氧条件（图1E-G）。

微生物共培养：

接种厌氧菌（B. thetaiotaomicron 或 Blautia sp.），检测细菌存活、定位及对HIOs的影响（图3A-C）。

宿主响应分析：

通过TEER（跨上皮电阻）和qPCR阵列，评估屏障功能、免疫基因表达变化（图2, 4）。


4. 测量数据及其意义与图表来源


测量指标 研究意义 图表来源

溶解氧浓度 验证IOPC成功模拟体内氧梯度（顶端厌氧、基底侧生理氧）。 图1G, S1B-C (S2 File)

细胞存活率与形态 证明IOPC维持HIOs活性与正常极性/黏液分泌，无毒性。 图1E-F

TEER（跨上皮电阻） 表明生理氧增强肠道屏障功能；微生物共培养降低TEER（供体特异性）。 图2A, 3D, S2 (S2 File)

基因表达（qPCR阵列） 揭示生理氧上调屏障/抗菌基因（如 TLR4, MYD88），下调炎症基因（如 IL8, TLR2）；微生物共培养进一步调节免疫通路（如抑制 NFKB1, CASP1）。 图2B-E, 4, S3-S6 (S2 File)

细菌存活与定位 证实IOPC支持厌氧菌生长（依赖HIOs代谢）；细菌与上皮互作动态可视化。 图3A-C

转录组与通路分析 明确氧条件与微生物共培养对NF-κB、细胞增殖等通路的调控。 S1-S2 Tables



5. 结论


IOPC系统有效性：

成功模拟肠道氧梯度（顶端厌氧/基底侧5.6% O₂），支持厌氧菌与HIOs共培养24–48小时。

生理氧的生物学效应：

增强HIOs屏障功能（TEER↑）、促进抗菌基因表达、抑制炎症反应。

微生物-宿主互作：

厌氧菌诱导免疫调节（如 B. thetaiotaomicron 下调促凋亡基因 CASP1），且效应具有 供体特异性（如J3系对 Blautia 敏感导致TEER骤降）。

技术优势：

低成本、易组装（无需3D打印/微流控），可推广用于个性化医疗研究（如FMT疗效评估）。


6. Unisense电极测量数据的详细解读

数据来源与方法


技术：使用丹麦Unisense公司500μm Clark型微电极（高精度氧传感器）。

测量位点：Transwell顶端与基底侧培养基（图1G）。

校准：在无氧条件（0% O₂）和大气氧（21% O₂）下校准。


关键结果与意义


氧梯度验证（图1G）：

顶端：氧浓度 低于检测限（完全厌氧）。

基底侧：氧浓度与输入气体一致（5.6%或10.2% O₂）。

意义：直接证明IOPC成功复现了肠道生理氧环境（体内类比：肠腔厌氧 vs. 固有层低氧）。


HIOs的氧清除作用（S1B-C, S2 File）：

无HIOs时，顶端残留氧达3–4%；有HIOs时，2小时内降至厌氧。

意义：HIOs代谢是维持顶端厌氧的关键，为严格厌氧菌（如 Blautia sp.）存活提供基础。


系统可靠性：

电极数据与COMSOL模型预测一致（S1C），证实IOPC设计的科学性。

意义：为后续微生物共培养实验提供可信的氧环境保障，避免因氧毒性导致的假阴性结果。

研究价值

解决核心矛盾：提供首个直接证据表明单一系统可同时满足宿主（需低氧）与微生物（需厌氧）的氧需求。

推动机制研究：明确氧梯度是驱动屏障功能增强（如TEER↑）和免疫基因调控（如HIF-1α↑）的关键变量，为研究氧敏感通路（如NF-κB）奠定基础。

总结

IOPC系统通过Unisense电极验证的精确氧控制，解决了肠道宿主-微生物共培养的技术难题，首次在体外重现了肠道生理氧微环境。该系统不仅揭示了氧条件对上皮屏障和免疫基因的调控作用，还证明了厌氧菌共培养可诱导供体特异性免疫调节，为研究肠道疾病机制和个性化疗法提供了高效平台。