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尽管人们认识到肠道微生物群在癌症化疗中起着临床重要作用，但对其机制的理解和转化研究仍然有限。最大化药物疗效需要深入了解微生物群如何有助于诊治反应，人体的复杂性阻碍了微生物群的调节。
为了解决这个问题，武汉大学张先正教授及其团队报道了一个名为工程微生物群（EM）的3D实验模型，用于连接微生物-药物相互作用的研究和治疗决策。该研究成果以“A Microbial Community Cultured in Gradient Hydrogel forInvestigating Gut Microbiome-Drug Interaction and GuidingTherapeutic Decisions”为题发表在《
【多层水凝胶的设计】
合成一种具有多层结构的梯度水凝胶，使物质形成一个浓度梯度，以维持具有不同代谢需求的细菌的生存（图1a）。采用旋转涂层和光引发聚合制备多层水凝胶（图1b）。通过分层工程，获得了粘蛋白聚（4-苯二烯磺酸钠（PSS））-聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA）肠道细菌和多烯丙胺盐酸盐（PAH）-PEGDA间隔排列的多层水凝胶（图1c)。荧光成像进一步证实了细菌与水凝胶的共存（图1d）。在已鉴定的469个化合物中，42.4%的化合物从上到下逐渐增加，16.7%的化合物逐渐减少（图1e）。由于肠道细菌产酸、耗氧，多层水凝胶也形成了pH和氧的浓度梯度（图1f）。细胞毒性实验表明，多层水凝胶的毒性较低（图1g）。
图1 EM的制备
【EM的分类组成】
在EM上进行了16S测序，并将其与液体培养群落（LCC）和水凝胶包封群落（HEC）进行了比较，经过短期LCC培养后，肠道微生物群的主要分类组成发生了显著变化（图2a）。，随着HEC的干预，一些细菌属的丰度也发生了变化，如乳杆菌属、异菌属和云杆菌科（图2b）。相比之下，EM维持了肠道微生物群的内稳态（图2c）。虽然人类肠道微生物群与小鼠肠道微生物群存在个体差异，但EM在很大程度上保留了不同患者肠道微生物群的不同特征（图2d）。PICRUSt2和BugBase的预测结果表明，EM的功能与体内肠道微生物群高度相似（图2f）。使用荧光原位杂交（FISH）探针在电镜中标记细菌。与预期的一样，具有不同代谢特征的细菌在水凝胶中分布不均匀（图2g）。因此，EM可以与需氧真核生物共培养，以研究宿主-微生物群的相互作用。
图2 EM的分类组成
【EM与宿主细胞共培养】
为了研究药物在微生物群的影响下对宿主的影响，有必要将EM与宿主细胞共培养。从六个方面评估了EM对细胞的影响：蛋白质合成、膜通透性、酶活性、抗原呈递、细胞运动性和细胞形态（图3a）。LCC处理使EGFPHEK293细胞的荧光强度降低了26.6%（图3b）。此外，在LCC处理后，膜不透性碘化丙啶（PI）的内化程度增加了2倍（图3c）。用荧光素二乙酸酯评价细胞内酯酶活性，LCC处理后酯酶活性降低了25%（图3d）。LCC和HEC提高了树突状细胞呈现卵清蛋白（257-264）表位的能力，这可能归因于细菌过度生长和功能失调的肠道微生物群引起的促炎作用（图3e）。划痕实验进一步表明，EM处理对细胞的迁移几乎没有影响（图3f）。与LCC或HEC处理的细胞相比，EM处理的细胞上触诊和微绒毛仍然均匀分布（图3g）。总的来说，在这三种模型中，EM具有最好的细胞相容性，支持与细胞进行强大的共培养（图3h）。通过将EM与分离的肠道组织共培养来评估其体外生物相容性（图3i）。肠道组织仍然保持着新鲜肠道的形态结构，肠道绒毛上覆盖着粘蛋白（Muc2）（图3j）。与新鲜肠道组织相比，在LCC培养的组织中有2700个基因的表达显著，但在EM组中仅发现了677个差异表达的基因（图3k）。反应组富集分析显示，LCC组有35个信号通路发生了变化，而EM组中只有两条途径富集，说明EM对肠道组织的影响与肠道微生物群的影响很接近（图3l）。
图3 宿主成分与EM共培养
【EM药物反应的研究】
图4 药物效果的研究
【EM优化治疗方案】
图5 优化治疗方案
【总结】
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202300977
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