A novel system to culture human intestinal organoids under physiological oxygen content to study microbial-host interaction 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


摘要核心内容


论文开发了一种名为 IOPC（Intestinal Organoid Physoxic Coculture） 的新型共培养系统，用于在生理氧条件下（模拟肠道内低氧环境）共培养人类肠道类器官（HIOs）与厌氧肠道细菌。该系统通过简单、低成本的装置，在类器官基底侧维持生理性低氧（physoxia，5.6% O₂），在顶侧（腔面）维持厌氧环境，成功支持了厌氧菌（如 Bacteroides thetaiotaomicron 和 Blautia sp.）与HIOs共培养24-48小时。研究证实IOPC能增强肠道屏障完整性，调节免疫基因表达，并揭示不同供体来源的HIOs对细菌的响应存在差异。

研究目的


解决关键矛盾：肠道上皮细胞需氧生长 vs. 肠道细菌多为厌氧菌。

开发新系统：建立低成本、易操作的共培养平台，模拟体内肠道氧梯度（顶侧厌氧/基底侧低氧）。

验证生理相关性：探究生理氧条件对HIOs屏障功能、基因表达及宿主-微生物互作的影响。


研究思路


系统设计（图1B-D）：

使用透气底24孔板，基底侧通入低氧混合气（5% CO₂, 5.6% O₂, 平衡N₂）。

顶侧密封于厌氧腔，依赖HIOs代谢消耗残余氧，创造厌氧环境。

验证系统：

测量氧气分布（图1G）、HIOs存活率（图1E）和形态（图1F）。

分析低氧对HIOs屏障功能（TEER）和基因表达的影响（图2）。

共培养验证：

接种厌氧菌（B. thetaiotaomicron 和 Blautia sp.），检测细菌存活（图3A-C）及对HIOs屏障的影响（图3D）。

机制探究：

通过RT² Profiler PCR阵列分析细菌共培养后HIOs的转录组变化（图4）。


测量数据及其意义

1. 氧气浓度测量（图1G）


数据：使用丹麦Unisense微电极测量溶解氧：

顶侧腔：氧浓度低于检测限（厌氧）。

基底侧：氧浓度与通入气体一致（5.6%或10.2%）。

意义：

验证系统核心功能：成功模拟肠道氧梯度（顶侧厌氧/基底侧低氧）。

揭示HIOs作用：HIOs主动消耗顶侧残余氧（无HIOs时顶侧氧浓度为3-4%）。

支持厌氧菌存活：为共培养提供关键环境基础。


2. HIOs存活与形态（图1E-F）


数据：IOPC培养的HIOs存活率与常规培养无差异；H&E和阿尔新蓝染色显示正常极性和黏液分泌。

意义：证实低氧条件不影响HIOs健康状态。


3. 屏障功能（TEER）（图2A, 图3D）


数据：

IOPC显著提升TEER（图2A）。

共培养后，TEER下降（B. thetaiotaomicron 和 Blautia sp.均降低屏障功能），但存在供体差异（J3对 Blautia 更敏感）。

意义：

生理氧增强肠道屏障。

细菌可调控屏障完整性，且响应具有个体特异性。


4. 基因表达（图2B-E, 图4）


数据（RT² PCR阵列）：

仅低氧（IOPC vs. IC）：32个基因上调（如屏障相关基因 INADL、PARD3；抗菌基因 TLR4），3个下调（促炎基因 CXCL8/IL8、TLR2）（图2B-E）。

细菌共培养：18个基因上调（屏障相关 ESAM、F11R），13个下调（炎症相关 NFKB1、IL18）（图4）。

意义：

生理氧诱导屏障增强和免疫耐受表型。

细菌共培养进一步调控免疫平衡（抑制炎症通路）。


5. 细菌存活（图3A-C）


数据：

B. thetaiotaomicron 在共培养中增殖（24小时），Blautia sp. 存活8小时（图3A-B）。

FISH证实细菌定植于顶侧（图3C）。

意义：IOPC支持严格厌氧菌存活，且细菌生长依赖HIOs代谢。


结论


IOPC系统成功：低成本、易操作的装置可模拟肠道生理氧梯度，支持厌氧菌与HIOs共培养。

生理氧诱导关键表型：增强屏障功能、上调抗菌基因、下调炎症基因（如 IL8）。

微生物调控宿主：厌氧菌共培养可改变HIOs基因表达，抑制炎症通路（如 NF-κB）。

个体差异：不同供体HIOs对细菌的响应程度不同（如TEER变化），凸显个性化研究价值。

应用潜力：为研究肠道宿主-微生物互作、个性化医疗（如FMT）及药物吸收提供新平台。

Unisense电极数据的详细解读

测量结果（图1G）


顶侧腔：溶解氧 低于检测限（接近0%），符合厌氧要求。

基底侧：溶解氧稳定在 5.6%或10.2%，与通入气体一致。

对比对照组：无HIOs时顶侧氧浓度为3-4%，证明HIOs主动耗氧是维持厌氧的关键。


研究意义


验证系统可靠性：

直接证实IOPC能精确控制氧梯度，为后续生物学结果提供物理基础。

揭示HIOs的代谢作用：

HIOs不仅是被动屏障，还通过耗氧主动塑造微环境，支持厌氧菌生存。

模拟体内生理：

数据证明系统成功复现了肠道"顶侧厌氧/基底侧低氧"的生理状态（体内氧梯度为1-11%）。

解决共培养矛盾：

为"需氧上皮 vs. 厌氧菌"的共存提供了可量化解决方案，克服了传统培养的局限性。

支持严格厌氧菌研究：

顶侧持续厌氧使该系统适用于对氧极度敏感的菌（如 Blautia sp.），拓展了可研究的微生物范围。


关键启示：Unisense电极数据不仅是技术验证，更揭示了宿主细胞（HIOs）在塑造微生物微环境中的主动角色，强调了宿主-微生物互作的双向性。


总结：IOPC系统通过创新设计解决了肠道共培养的氧矛盾，结合多维度数据（物理、细胞、基因），为肠道宿主-微生物互作研究提供了高效、生理相关的平台，并揭示了氧气微环境对肠道稳态的核心调控作用。