据估计，多达100万美国人患有炎症性肠病（IBD），如溃疡性结肠炎和克罗恩病，这些疾病会导致轻微到严重的症状，在最佳情况下可治愈，但在最坏情况下可能导致危及生命的并发症。异常的免疫反应是引发这些疾病与肠道菌群问题的主要原因，但肠上皮细胞、免疫成分和肠道的节律性蠕动也会导致和加剧这些症状。然而，直到现在，科学家们一直难以开发新的IBD疗法，因为他们无法在实验室内复制人类的肠道微环境。

现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的一个团队，在Wyss研究所创始主任Donald Ingber博士和Wyss核心成员James Collins博士的带领下，利用该研究所专有的人体器官芯片技术，在一个人体肠道芯片上设计了一个人体肠道炎症和细菌过度生长的模型。这一研究进展发表在最近的《美国国家科学院院报》（PNAS）上，首次让科学家们能够分析正常肠道微生物和病原菌如何引发免疫反应，并在一个概括人类肠道生理学的可控模型中探讨IBD的发病机制。

本文第一作者Hyun Jung Kim博士说：“肠道慢性炎症被认为是由肠道微生物、肠上皮细胞和免疫系统之间异常的相互作用引起的，但到目前为止，要确定这些因素如何引起肠内疾病的发展，还是不可能的。”他谈到了传统的细菌过度生长和肠道炎症体外模型和动物模型的局限性。

然而，人类肠道芯片技术提供了一个理想的微环境，在一个小规模的、可控的体外平台上模拟人体肠道的自然条件。2012年，Wyss研究所首次发明了人类肠道芯片。该芯片由一个清晰的柔性聚合物制成，大约有电脑记忆棒那么大，其中空通道的微流体装置可模拟人体肠道的物理结构、微环境、蠕动样的运动波和流体流动。

在PNAS发表的这项最新进展报告中，Wyss研究团队发现，人类肠道芯片具有独特能力，可以将肠道细胞与来自正常肠道菌群的活细菌共同培养长达两周，这为“我们胃肠道内蓬勃发展的微生物群落如何有助于人类健康和疾病”提供了突破性的见解。

Ingber博士说：“微生物组的发现及其意义，代表着我们对人类健康的认识发生了巨大的范式转变——在我们的体内和体表居住着大量微生物，比我们自己的细胞还要多。到目前为止，使用传统的培养方法和更复杂的细胞器培养，所进行的微生物研究不能超过一天或两天。用人类肠道芯片，我们不仅可以使正常肠道菌群的培养时间延长，而且还可以分析病原体、免疫细胞、血管和淋巴管内皮细胞，以及模拟特定疾病，这对于了解肠道复杂的病理生理反应至关重要。”

Collins说：“关于IBD以及抗生素如何影响微生物组，我们还有很多需要了解的地方。这项技术可以让我们以一种孤立的、可控的方式，研究微生物组的复杂性，以及不同微生物种类在健康和疾病中发挥的作用。因此，它是一个非常有价值的平台。”

这一技术进展使我们对人类肠道的内部运作及其免疫反应有了新的发现。研究人员发现，有四种可刺激炎症的小蛋白（称为细胞因子）一前一后地发挥作用，触发可损害和刺激肠道的炎症性免疫反应。这一研究结果通过同时“阻断”这些细胞因子蛋白，为治疗炎症性肠病提供了一条新的治疗途径。

Wyss研究团队还研究了肠道的流体流动和波浪样蠕动运动在维持肠道微生物动态平衡中所起的作用。他们发现，缺乏蠕动运动可导致细菌的猖獗增生，而完全不依赖流体流动的变化。这有助于解释“为什么一些IBD和其他疾病患者会出现细菌过度生长”，例如，患者出现肠梗阻，这是一种综合征，可发生于肠道手术后身体恢复正常蠕动运动能力被长时间延迟的时候。

Wyss研究团队认为，人类肠道芯片培养人类肠道细胞和微生物组的能力也为精密医学领域带来了希望。在肠道芯片中，患者自身的细胞和肠道菌群可以在一天内培养出来，用于测试不同的治疗方法，并确定个性化的治疗策略。

Ingber说：“以前，微生物组及其在人体健康中的作用主要是通过研究它们的基因表达而被确定的。但是现在，通过体外进行‘微生物组、人类肠道细胞和人类免疫组分如何相互作用’相关的人体试验，我们希望对这一病理生理学机制获得更深刻的理解，从而促进开发新的和更有效的治疗方法。”