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


摘要核心內容


論文開發了一種名為 IOPC（Intestinal Organoid Physoxic Coculture） 的新型共培養系統，用于在生理氧條件下（模擬腸道內低氧環境）共培養人類腸道類器官（HIOs）與厭氧腸道細菌。該系統通過簡單、低成本的裝置，在類器官基底側維持生理性低氧（physoxia，5.6% O?），在頂側（腔面）維持厭氧環境，成功支持了厭氧菌（如 Bacteroides thetaiotaomicron 和 Blautia sp.）與HIOs共培養24-48小時。研究證實IOPC能增強腸道屏障完整性，調節免疫基因表達，并揭示不同供體來源的HIOs對細菌的響應存在差異。

研究目的


解決關鍵矛盾：腸道上皮細胞需氧生長 vs. 腸道細菌多為厭氧菌。

開發新系統：建立低成本、易操作的共培養平臺，模擬體內腸道氧梯度（頂側厭氧/基底側低氧）。

驗證生理相關性：探究生理氧條件對HIOs屏障功能、基因表達及宿主-微生物互作的影響。


研究思路


系統設計（圖1B-D）：

使用透氣底24孔板，基底側通入低氧混合氣（5% CO?, 5.6% O?, 平衡N?）。

頂側密封于厭氧腔，依賴HIOs代謝消耗殘余氧，創造厭氧環境。

驗證系統：

測量氧氣分布（圖1G）、HIOs存活率（圖1E）和形態（圖1F）。

分析低氧對HIOs屏障功能（TEER）和基因表達的影響（圖2）。

共培養驗證：

接種厭氧菌（B. thetaiotaomicron 和 Blautia sp.），檢測細菌存活（圖3A-C）及對HIOs屏障的影響（圖3D）。

機制探究：

通過RT2 Profiler PCR陣列分析細菌共培養后HIOs的轉錄組變化（圖4）。


測量數據及其意義

1. 氧氣濃度測量（圖1G）


數據：使用丹麥Unisense微電極測量溶解氧：

頂側腔：氧濃度低于檢測限（厭氧）。

基底側：氧濃度與通入氣體一致（5.6%或10.2%）。

意義：

驗證系統核心功能：成功模擬腸道氧梯度（頂側厭氧/基底側低氧）。

揭示HIOs作用：HIOs主動消耗頂側殘余氧（無HIOs時頂側氧濃度為3-4%）。

支持厭氧菌存活：為共培養提供關鍵環境基礎。


2. HIOs存活與形態（圖1E-F）


數據：IOPC培養的HIOs存活率與常規培養無差異；H&E和阿爾新藍染色顯示正常極性和黏液分泌。

意義：證實低氧條件不影響HIOs健康狀態。


3. 屏障功能（TEER）（圖2A, 圖3D）


數據：

IOPC顯著提升TEER（圖2A）。

共培養后，TEER下降（B. thetaiotaomicron 和 Blautia sp.均降低屏障功能），但存在供體差異（J3對 Blautia 更敏感）。

意義：

生理氧增強腸道屏障。

細菌可調控屏障完整性，且響應具有個體特異性。


4. 基因表達（圖2B-E, 圖4）


數據（RT2 PCR陣列）：

僅低氧（IOPC vs. IC）：32個基因上調（如屏障相關基因 INADL、PARD3；抗菌基因 TLR4），3個下調（促炎基因 CXCL8/IL8、TLR2）（圖2B-E）。

細菌共培養：18個基因上調（屏障相關 ESAM、F11R），13個下調（炎癥相關 NFKB1、IL18）（圖4）。

意義：

生理氧誘導屏障增強和免疫耐受表型。

細菌共培養進一步調控免疫平衡（抑制炎癥通路）。


5. 細菌存活（圖3A-C）


數據：

B. thetaiotaomicron 在共培養中增殖（24小時），Blautia sp. 存活8小時（圖3A-B）。

FISH證實細菌定植于頂側（圖3C）。

意義：IOPC支持嚴格厭氧菌存活，且細菌生長依賴HIOs代謝。


結論


IOPC系統成功：低成本、易操作的裝置可模擬腸道生理氧梯度，支持厭氧菌與HIOs共培養。

生理氧誘導關鍵表型：增強屏障功能、上調抗菌基因、下調炎癥基因（如 IL8）。

微生物調控宿主：厭氧菌共培養可改變HIOs基因表達，抑制炎癥通路（如 NF-κB）。

個體差異：不同供體HIOs對細菌的響應程度不同（如TEER變化），凸顯個性化研究價值。

應用潛力：為研究腸道宿主-微生物互作、個性化醫療（如FMT）及藥物吸收提供新平臺。

Unisense電極數據的詳細解讀

測量結果（圖1G）


頂側腔：溶解氧 低于檢測限（接近0%），符合厭氧要求。

基底側：溶解氧穩定在 5.6%或10.2%，與通入氣體一致。

對比對照組：無HIOs時頂側氧濃度為3-4%，證明HIOs主動耗氧是維持厭氧的關鍵。


研究意義


驗證系統可靠性：

直接證實IOPC能精確控制氧梯度，為后續生物學結果提供物理基礎。

揭示HIOs的代謝作用：

HIOs不僅是被動屏障，還通過耗氧主動塑造微環境，支持厭氧菌生存。

模擬體內生理：

數據證明系統成功復現了腸道"頂側厭氧/基底側低氧"的生理狀態（體內氧梯度為1-11%）。

解決共培養矛盾：

為"需氧上皮 vs. 厭氧菌"的共存提供了可量化解決方案，克服了傳統培養的局限性。

支持嚴格厭氧菌研究：

頂側持續厭氧使該系統適用于對氧極度敏感的菌（如 Blautia sp.），拓展了可研究的微生物范圍。


關鍵啟示：Unisense電極數據不僅是技術驗證，更揭示了宿主細胞（HIOs）在塑造微生物微環境中的主動角色，強調了宿主-微生物互作的雙向性。


總結：IOPC系統通過創新設計解決了腸道共培養的氧矛盾，結合多維度數據（物理、細胞、基因），為腸道宿主-微生物互作研究提供了高效、生理相關的平臺，并揭示了氧氣微環境對腸道穩態的核心調控作用。