在平行生物反应器系统中模拟消化系统的 5 大技巧

人体内微生物数量之庞大（微生物细胞与人体细胞的数量大致相当）只意味着一件事：它们对我们的日常生活有着巨大影响。因此，过去 15 年间，旨在了解这些“伙伴”作用的研究蓬勃发展。这些研究带来了许多引人入胜的发现，涉及哪些微生物栖居于我们的胃肠道、它们对健康与疾病的影响，以及人类宿主与微生物“客人”之间的密切关系。

然而，这些研究也表明，肠道微生物组 (GM) 在个体之间差异巨大，且随健康状况和饮食而变化，这使数据比较变得极为困难。虽然体内分析始终是了解 GM 背后科学原理的首选方法，但在许多情况下并不可行：其成本高昂，且耗费大量时间和资源。体外模拟为深入了解人体微生物组这一激动人心的领域提供了强有力的替代方案。业界一直在协同努力推动方法学标准化，以确保其可重复性。

下面是我们总结的利用生物反应器重现消化过程的 5 大技巧。

在之前的博客文章中，我们介绍了胃肠道内各处条件的巨大差异。所有这些参数都需要考虑在内，从胃部的低 pH 到结肠的缺氧环境。在单个反应器中重现这一切极具吸引力，却几乎无法实现。然而，多反应器系统提供了独特的可能性。由于各个容器可单独控制，其内部的物理化学条件可以分别调整，从而能够重现胃肠道的不同部位。各容器可通过管路相连，借助蠕动泵在生物反应器之间输送内容物，重现排空和充盈过程，同时避免潜在污染。

设计实验时需要评估的另一个变量是静态模型与半动态模型。前者更具成本效益、操作更简单，但可能会过度简化系统。半动态模拟有助于重现更贴近实际的条件，尤其是胃相阶段，可以体现逐步酸化过程和流体动力学。

消化模型和参数的多样性给跨研究的结果比较带来了挑战。INFOGEST 等协作框架推动了模拟方案的制定，旨在依据研究结果重现真实场景，并提高实验的可重复性。这些方案为模拟口腔、胃和肠道消化阶段提供了结构化方法，采用特定的底物与消化液比例。酶活性（所加入的酶转化底物或生成产物的速率）是另一个需要控制的基本参数，标准化方案中应给出推荐值。对于某些酶，例如胰蛋白酶，这一点尤为关键。

生物反应器旨在为微生物培养提供理想条件，这依靠一系列可测量各项条件的探头来实现。同时，自动化系统可读取这些实时测量值，一旦数值偏离设定条件，即可采取纠正措施。纠正方式多种多样，例如可通过加入酸或碱溶液，或通入 CO₂ 等气体来调节 pH。

深入了解所模拟的条件，是确保该过程准确反映真实情况的关键。物理化学参数包括 pH、温度和溶解氧。此外，还需纳入胃肠道的一些特殊条件，例如添加唾液、胃酸和胆汁盐等模拟液，以及在精确的时间点加入胃蛋白酶和脂肪酶等代表性酶。

模拟中使用的生物制剂，如微生物群落、酶和人工模拟液，将决定实验结果。首先是微生物接种物：需要明确的是，合成群落更易于管理，结果也更一致。不过，个体之间的微生物多样性存在差异，这一点已得到公认；但不同类群所发挥的功能似乎是保守的。因此，在研究人体 GM 的复杂性时，天然微生物群落更具代表性。

在模拟过程中，会在不同时间点使用酶混合物。例如，在不同反应中加入淀粉酶、蛋白酶或脂肪酶，以重现胃肠道各个部位发生的过程。从细菌到哺乳动物，不同生物都会产生帮助消化的酶，但它们的活性各不相同，对相同物理化学条件的反应也不尽相同。正因如此，人源酶是最佳选择。然而在许多情况下，人源酶无法获得，或因成本原因不可行，此时应参考相关资料，猪源和牛源酶是最接近的替代选择。

前文已讨论了控制系统温度的必要性，温度是对生命最关键的参数之一。然而，其他物理因素同样需要重现。人体能够非常有效地混合通过消化系统的内容物。例如，在口腔中，咀嚼可将进入体内的固体物质切碎成小块，增大表面积；在沿胃肠道下行的过程中，平滑肌的蠕动也会加强食团的混合。

为确保容器内条件与胃肠道内条件相似，反应器需要配备搅拌器等装置来重现这些过程。此外，蠕动性的肌肉收缩推动食团沿消化道下行。在模拟过程中使用蠕动泵在生物反应器之间转移内容物，是重现这一过程的绝佳方式。

我们正处在肠道微生物组研究的黄金时代。胃肠道模拟技术的进步有助于我们阐明体内复杂的微生物生态系统，及其对健康、疾病和行为的深远影响。然而，要获得可重复、可靠的数据，还需要开展更多受控研究。本文介绍了在体外重现胃肠道的 5 大技巧，希望能助力研究人员、临床医生和爱好者走在这一激动人心领域的前沿。

微生物组研究的黄金时代不仅关乎科学发现，也关乎将这些发现应用于人类健康。我们希望这些技巧能成为读者的实用工具，帮助他们为这一研究领域贡献力量。随着我们不断探索和了解与人类共生的微生物在健康和疾病中的作用，希望本文分享的知识和方法能在迈向人人更健康的未来之路上有所助益。