我们的肠脑连接揭示了“芯片”系统

麻省理工学院研究人员已经开发出一个“芯片的ORGAN-芯片”系统，可复制大脑，肝脏和结肠之间的相互作用。

“芯片的器官”系统揭示了人类消化道中的细菌如何影响神经疾病。

在许多方面，我们的大脑和消化道都深受了连接。感到紧张可能导致胃里的身体疼痛，而肠道的饥饿信号让我们感到烦躁。最近的研究甚至表明生活在我们肠道中的细菌会影响一些神经疾病。

模拟这些复杂的动物在例如小鼠等动物中难以做到，因为他们的生理学与人类截然不同。为了帮助研究人员更好地了解肠脑轴，麻省理工学院研究人员开发了一个“芯片的芯片”系统，可复制大脑，肝脏和结肠之间的相互作用。

使用该系统，研究人员能够模拟生活在肠道中的微生物对患有帕金森病患者的健康脑组织和组织样本的影响。他们发现，通过肠道中的微生物产生并将其运输到大脑的短链脂肪酸可以对健康和患病的脑细胞产生非常不同的影响。

“虽然短链脂肪酸在很大程度上有利于人体健康，但我们观察到，在某些条件下，它们可以进一步加剧某些脑病变，例如蛋白质错误折叠和神经元死亡，与帕金森病有关，”Martin Trepecar，Martin Trepecar和该研究的牵头作者。

琳达格里菲斯教学创新学院和生物工程与机械工程教授，以及鲁道夫Jaenisch，生物学教授和MITS Whitehey医学研究所的成员，是本文的高级作者，其中今天（1月29日，2021年1月29日）在科学进步中出现。

麻省理工学院研究人员已经开发出一个“芯片的ORGAN-芯片”系统，可复制大脑，肝脏和结肠之间的相互作用。

多年来，格里菲斯的实验室一直在开发微生物系统 - 小型设备，可用于种植不同器官的工程化组织模型，通过微流体通道连接。格里菲斯说，在某些情况下，这些模型可以提供比动物模型更准确的人类疾病信息。

在去年发布的一篇文章中，格里菲斯和特努科尔使用了微生物学系统来模拟肝脏和结肠之间的相互作用。在该研究中，他们发现短链脂肪酸（SCFA），肠道中微生物产生的分子，可以在某些条件下恶化与溃疡性结肠炎相关的自身免疫炎症。SCFA包括丁酸酯，丙酸盐和醋酸盐，也可以对组织有益效果，包括增加的免疫耐受性，并且它们占我们从食物中获得的能量的约10％。

在新的研究中，麻省理工学院团队决定将脑和循环免疫细胞添加到其多功能机制。大脑具有许多与消化道的相互作用，其可以通过肠道神经系统或通过免疫细胞，营养成分和器官之间的激素循环发生。

几年前，CALTECH的微生物学教授Sarkis Mazmanian发现了SCFA和帕金森病在小鼠中的联系。他表明SCFA是由细菌产生的，因为它们在肠道中消耗未消化的纤维，加快了疾病的进展，而无菌环境中提出的小鼠越来越慢。

格里菲斯和特努卡尔决定使用他们的微生物学模型进一步探索Mazmanian的发现。为此，他们与Jaenisch的jaenisch的实验室合作。Jaeenisch先前已经开发出一种方法来将来自帕金森患者的成纤维细胞转化为多能干细胞，然后可以被诱导分化为不同类型的脑细胞 - 神经元，星形胶质细胞和小胶质细胞。

超过80％的帕金森病例不能与特定的基因突变相关联，但其余的确实具有遗传原因。用于其Parkinson模型的麻省理工学院研究人员的细胞携带突变，导致α突触核蛋白的蛋白质的积累，这损害了神经元并导致脑细胞中的炎症。Jaeenisch的实验室还产生了具有这种突变的脑细胞纠正，但否则遗传地相同并且与与患病细胞相同的患者相同。

Griffith和Trapecar首先在没有连接到任何其他组织的微生物学系统中研究了这两套脑细胞，发现帕金森的细胞显示出比健康的矫正细胞更多的炎症。帕金森的细胞也有损害，他们可以弥合脂质和胆固醇的能力。

相反的效果

然后，研究人员将脑细胞连接到结肠和肝脏的组织模型，使用允许免疫细胞和营养物质，包括SCFA的通道在它们之间流动。他们发现，对于健康的脑细胞，暴露于SCFA是有益的，并有助于他们成熟。但是，当源自帕金森患者的脑细胞暴露于SCFA时，有益效果消失了。相反，细胞经历了更高水平的蛋白质错误折叠和细胞死亡。

即使从系统中除去免疫细胞，导致研究人员也会发现这些效果是假设通过对脂质代谢的变化介导的影响。

“似乎通过影响脂质代谢而不是直接影响某种免疫细胞群，”似乎短链脂肪酸可以与神经变性疾病联系在一起，“Trapecar说。“现在我们的目标是试图了解这一点。”

研究人员还计划模拟可能受到肠道微生物组影响的其他类型的神经疾病。Griffith说，该研究结果为人类组织模型能够增加动物模型的信息而得到支持。她现在正在制作一个新版本的模型，包括连接不同组织类型的微血管，允许研究人员研究组织之间的血液流动影响它们。

“我们应该真正推动这些发展，因为开始将更多人类特征引入我们的模型，”格里菲斯说。“我们能够开始深入了解难以从老鼠难以获得的人体状况。”

参考：“人类生理学模型集成肠道，肝脏和脑的微生物学系统，为神经退行性疾病研究”的“肠外疾病”，Emile W形，德文Svoboda，Catherine Communal，Attya Omer，Tenzin Lungjangwa，Pierre Sphabmixay，Jason Velazquez，Kirsten Schneider，Charles W. Wright，Samuel Mildrum，Austin Hendricks，Stuart Levine，Julien Muffat，Meelim Jasmine Lee，Douglas A. Lauffenburger，David Trumper，Rudolf Jaenisch和Linda G. Griffith，2011年1月29日，科学推进.DOI：
10.1126 / sciadv.abd1707

该研究由DARPA，国家生物医学研究所，国家环境卫生研究所，国家癌症研究所和陆军研究办公室批准的国家环境卫生研究所用于协同生物技术。