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简单的生物反应器使“肠道检查”更实用

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米，贝勒装置模拟肠道显示入侵细菌如何引起疾病

休斯敦——(2021年1月7日)——莱斯大学和贝勒医学院的研究人员发现了一种模拟肠道环境的方法，为他们提供了一个细菌感染实时生长的机械模型。

在一项新的研究中，他们展示了一种简化人体肠道模拟的实验室工具，使其在寻找感染性腹泻等疾病的治疗方法时更加实用。

由莱斯大学布朗工程学院的生物工程师Jane Grande-Allen领导的团队开发了透明微流控灌注盒(mPCs)，它易于制造和操作，并与普通显微镜和生化分析兼容。

Researchers at Rice University and Baylor College of Medicine developed millifluidic perfusion cassettes (mPCs) that mimic conditions in the intestines to evaluate infections like those that cause diarrhea. The devices formed from 3D-printed molds (top right) were seeded with intestinal enteroid cultures (IECs) and infected with pathogens for 24 hours or more to see how infections take hold. (Credit: Illustration by Rice University/Baylor College of Medicine)

插图:莱斯大学/贝勒医学院

这种磁带甚至允许非生物工程师进行通常在96孔培养皿中完成的研究，还有额外的好处，即液体可以流过被细菌感染的种子上皮细胞。磁带也有微尺度的端口输入和输出，不仅允许流体流动，也为环境采样。

该研究由格兰德-艾伦领导，赖斯的伊莎贝尔·c·卡梅隆生物工程教授，主要作者，赖斯和贝勒医学博士/博士。目前居住在俄勒冈健康与科学大学的校友里德·威尔逊发表在《生物医学工程年鉴》上。

复制复杂的人类肠道对研究人员来说是一个挑战，贝勒大学分子病毒学和微生物学副教授安东尼·马雷索(Anthony Maresso)说。他说:“像这样的设备通常不容易操作，对我这样的生物学家来说也不实用。”“这种设计是为了让不太懂工程知识的科学家容易使用。希望它能降低工程师和医学研究人员之间的障碍。”

格兰德-艾伦表示，制造一种不会泄漏的微流体系统在技术上具有挑战性。“在这种情况下，我们需要模拟液体通过肠道的速度，特别是与血液相比，是非常缓慢的，”她说。

该设备的模具约为标准96孔板大小，用3D打印机制作，用来形成透明的聚合物盒。mPCs被植入人类肠道类细胞(HIEs)，培养物中含有肠上皮原生的主要细胞类型。当含有细菌的液体流过时，它会在细胞上形成一层生物膜，这种现象在静态平台上是看不到的。

研究人员可以很容易地评估细菌黏附和感染细胞的情况，无论是通过视觉还是通过两端的端口取样。格兰德-艾伦说，静态平板允许细菌过度生长细胞，并将实验时间限制在几个小时内，但通过mPCs的缓慢流动允许延长观察时间和更真实的结果。

通过对该设备的测试，研究人员找到了第一个直接证据，即聚集性粘附毛——在大多数传染性肠聚集性大肠杆菌(EAEC)上发现的粘性附着物——是细菌形成生物膜所必需的。

格兰德-艾伦说:“我们的目的是慢慢冲洗细菌毒素，防止它们伤害细胞。”“这让更多的细胞存活下来，这样我们就可以观察感染的过程。我们完全惊讶地发现，它也戏剧性地改变了形成的薄膜的性质。”

The transparent mPC bioreactors developed by Rice University and Baylor College of Medicine allow for easy imaging of interactions between intestinal cell cultures and bacteria or other pathogens. These microscope images show stained epithelial cells infected with enteroaggregative Escherichia coli with and without flow through the mPCs after 8 hours. The images show bacteria inserted without flow aggregated into small clusters (left), but formed biofilms when flow was present (center and right). The scale bars are 30 microns. (Credit: Baylor College of Medicine/Rice University)

由莱斯大学和贝勒医学院开发的透明的mPC生物反应器可以很容易地成像肠道细胞培养物和细菌或其他病原体之间的相互作用。这些显微镜图像显示，感染肠聚集性大肠杆菌的染色上皮细胞在8小时后有或没有流过mPCs。图片显示，插入的细菌没有流动聚集成小簇(左图)，但有流动时形成生物膜(中图和右图)。比例尺为30微米。

Grande-Allen说，该设备还通过补充mPC室中的氧气和营养物质来保持HIE培养物的活力，从而更好地评估细胞与入侵病原体之间的真实相互作用。

她说mPCs将促进对许多这样的相互作用的研究。“这将允许系统地检查许多不同的组合，好的和坏的，以及流动如何改变这个环境的动态，”她说。

论文的共同作者是研究生Sarah Hewes和莱斯大学的校友Takanori Iida，博士后助理Anubama Rajan，研究生Shih-Ching Lin，高级研究助理Carolyn Bomidi和分子病毒学和微生物学杰出服务教授Mary Estes。

美国国立卫生研究院和德克萨斯州癌症预防研究所支持了这项研究。

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请到https://link.springer.com/article/10.1007/s10439-020-02705-8阅读摘要。

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相关材料:

Grande-Allen综合矩阵力学实验室:https://grandegroup.blogs.rice.edu

Anthony Maresso Lab: https://www.bcm.edu/research/labs-and-centers/faculty-labs/anthony-maresso-lab

生物工程系:https://bioengineering.rice.edu

乔治布朗工程学院:https://engineering.rice.edu

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Researchers at Rice University and Baylor College of Medicine developed millifluidic perfusion cassettes (mPCs) that mimic conditions in the intestines to evaluate infections like those that cause diarrhea. The devices formed from 3D-printed molds (top right) were seeded with intestinal enteroid cultures (IECs) and infected with pathogens for 24 hours or more to see how infections take hold. (Credit: Illustration by Rice University/Baylor College of Medicine)

https://news.rice.edu/files/2020/12/1221_INTESTINE-1-WEB.jpg

莱斯大学和贝勒医学院的研究人员开发出了模拟肠道状况的微流控灌注盒(mPCs)，以评估引起腹泻之类的感染。3d打印的霉菌(右上角)形成的设备被植入肠道类肠培养菌(IECs)，并被病原体感染24小时或更长时间，以观察感染如何发生。(资料来源:莱斯大学/贝勒医学院)

The transparent mPC bioreactors developed by Rice University and Baylor College of Medicine allow for easy imaging of interactions between intestinal cell cultures and bacteria or other pathogens. These microscope images show stained epithelial cells infected with enteroaggregative Escherichia coli with and without flow through the mPCs after 8 hours. The images show bacteria inserted without flow aggregated into small clusters (left), but formed biofilms when flow was present (center and right). The scale bars are 30 microns. (Credit: Baylor College of Medicine/Rice University)

https://news.rice.edu/files/2020/12/1221_INTESTINE-2-WEB.jpg

由莱斯大学和贝勒医学院开发的透明的mPC生物反应器可以很容易地成像肠道细胞培养物和细菌或其他病原体之间的相互作用。这些显微镜图像显示，感染肠聚集性大肠杆菌的染色上皮细胞在8小时后有或没有流过mPCs。图片显示，插入的细菌没有流动聚集成小簇(左图)，但有流动时形成生物膜(中图和右图)。比例尺为30微米。(资料来源:莱斯大学贝勒医学院)

莱斯大学位于休斯顿，占地300英亩，森林覆盖，在美国新闻与管理杂志《U.S. News &世界报道。莱斯大学拥有建筑学院、商学院、继续教育学院、工程学院、人文学院、音乐学院、自然科学学院和社会科学学院，是贝克公共政策学院的所在地。莱斯大学有3978名本科生和3192名研究生，本科生与教师的比例接近6比1。它的住宿学院体系建立了紧密的社区和终生的友谊，这也是为什么莱斯大学在种族/阶级互动方面排名第一，在《普林斯顿评论》(the Princeton Review)的生活质量方面排名第一。赖斯大学也被Kiplinger ‘s Personal Finance评为私立大学中最有价值的大学。

新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.rice.edu/2021/01/07/simple-bioreactor-makes-gut-check-more-practical-2/