據估計，多達100萬的美國人患有炎癥性腸病（IBD），如潰瘍性結腸炎和克羅恩病，會導致輕微到嚴重的癥狀，最好的情況是治愈，但在最壞的情況下，可能導致危及生命的并發癥。異常的免疫反應主要是引發這些疾病與腸道菌群問題的原因，但是，腸上皮細胞、免疫成分和腸道的節奏性蠕動，也會導致和加劇這些癥狀。但直到現在，科學家們一直很難開發新的療法用于治療IBD，因為他們無法在實驗室內復制人類的腸道微環境。

現在，哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的一個團隊，在Wyss研究所創始主任Donald Ingber博士，和Wyss核心成員James Collins博士的帶領下，利用該研究所專有的人體器官芯片技術，在一個人體腸道芯片上設計了一個人體腸道炎癥和細菌過度生長的模型。這一研究進展，發表在最近的美國國家科學院院報（PNAS）上，首次可讓科學家們分析正常的腸道微生物和病原菌如何引發免疫反應，并在一個概括人類腸道生理學的可控模型中探討IBD的發病機制。

本文第一作者Hyun Jung Kim博士說：“腸道慢性炎癥被認為是由腸道微生物、腸上皮細胞和免疫系統之間異常的相互作用引起的，但到目前為止，要確定這些因素如何引起腸內疾病的發展，還是不可能的。”他談到了傳統的細菌過度生長和腸道炎癥體外模型和動物模型的局限性。

然而，人類腸道芯片技術，提供了一個理想的微環境，在一個小規模的、可控的體外平臺上模擬人體腸道的自然條件。在2012年，Wyss研究所首次發明了人類腸道芯片。由一個清晰的柔性聚合物制成，大約是電腦記憶棒那么大，中空通道的微流體裝置可模擬人體腸道的物理結構、微環境、蠕動樣的運動波和流體流動。

在PNAS發表的這項最新進展報告中，Wyss的研究團隊發現，人類腸道芯片具有獨特能力，可以將腸道細胞與來自正常腸道菌群的活細菌共同培養一段時間，最多兩周的時間，可以為“我們胃腸道內蓬勃發展的微生物群落，如何有助于人類健康和疾病”，提供突破性的見解。

Ingber博士說：“微生物組的發現及其意義，代表著我們對人類健康的認識，發生了巨大的范式轉變——在我們的體內和體表居住著大量微生物，比我們自己的細胞還要多。到目前為止，使用傳統的培養方法和更復雜的細胞器培養，所進行的微生物研究不能超過一天或兩天的時間。用人類腸道芯片，我們不僅可以使正常腸道菌群的培養時間延長，而且還可以分析病原體、免疫細胞、血管和淋巴管內皮細胞，以及模擬特定疾病，對于了解腸道復雜的病理生理反應的貢獻。”

Collins說：“關于IBD以及抗生素如何影響微生物組，我們還有很多需要了解的地方。這項技術可以讓我們以一種孤立的、可控的方式，研究微生物組的復雜性，以及不同微生物種類在健康和疾病中發揮的作用。因此，它是一個非常有價值的平臺。”

這一技術進展，使得我們對人類腸道的內部運作以及它的免疫反應，有了新的發現。研究人員發現，有四個可刺激炎癥的小蛋白（稱為細胞因子），一前一后地發揮作用，觸發可損害和刺激腸道的炎癥性免疫反應。這一研究結果，通過同時“阻斷”這些細胞因子蛋白，為治療炎癥性腸病提供了一條新的治療途徑。

Wyss研究團隊還研究了腸道的流體流動和波浪樣蠕動運動，在維持腸道微生物的動態平衡中所起的作用，他們發現，缺乏蠕動運動，可以導致細菌的猖獗增生，完全不依賴流體流動的變化。這可以幫助解釋“為什么一些IBD和其他疾病患者，會出現細菌過度生長”，例如，患者出現腸梗阻，這是一種綜合征，可發生于腸道手術后身體恢復正常蠕動運動能力被長時間延遲的時候。

Wyss研究團隊認為，人類腸道芯片培養人類腸道細胞和微生物組的能力，也為精密醫學領域帶來了希望，在腸道芯片中，患者自身的細胞和腸道菌群可以在一天內培養出來，用于測試不同的治療方法，并確定一種個性化的治療策略。

Ingber說：“以前，微生物組及其在人體健康中的作用，主要是通過研究它們的基因表達而被確定的，但是現在，通過體外進行“微生物組、人類腸道細胞和人類免疫組分如何相互作用”相關的人體試驗，我們希望對這一病理生理學機制獲得一個更深刻的理解，從而促進開發新的和更有效的治療方法。”