與小鼠微生物組代謝物相比，在人類微生物組代謝物（Hmm）存在下 暴露於腸出血性大腸桿菌（EHEC）時，人結腸上皮更容易受到結腸切片中結腸上皮通道表面的損傷和脫離（嗯）。最上面的對比圖像顯示了器官芯片中生長的結腸上皮細胞（已從左到右）與EHECs一起暴露於Hmm，Mmm，Hmm，以及Mmm與EHECs一起暴露。下面的列顯示腸腔通道的表面區域（黃色），其中人結腸上皮細胞（藍色）生長並暴露於相同的條件。圖片來源：哈佛大學威斯學院
為什麼人類相對容易被一些細菌或病毒病原體感染，而具有非常相似的組織和免疫功能的動物則不然。這種鴻溝也是研究人員在動物模型（如小鼠）中模擬致病性疾病的過程中經常遇到問題的原因，以及為什麼使用這種方法開發的藥物常常在人類中失敗。
在對腸出血性大腸桿菌（EHEC）細菌的反應中可以看到物種特異性對感染耐受性的一個突出例子，這種細菌在美國每年僅造成100,000多例感染，並導致血性腹瀉（旅行腹瀉），結腸炎和溶血性尿毒綜合徵（HUS） - 一種嚴重的疾病，在他們遇到EHEC的志賀毒素後會導致腎功能衰竭。多年來，人們已經知道，與人類相比，感染小鼠的致病性EHEC細菌數量要高出100,000倍，並且除非動物在特殊的無菌條件下生長，否則小鼠不會出現疾病症狀。缺乏正常的共生腸道微生物組。
哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的生物工程師，微生物學家和系統生物學家組成的多學科團隊，致力於該研究所的DARPA支持的“主機恢復技術”（THoR）項目，其目標是揭示耐受性的原因對於某些個體或物種表現出來的感染，現在已經成功地模擬了人類結腸的感染使用微流體器官芯片（器官芯片）培養裝置在體外使用EHEC。令人驚訝的是，他們的方法使得能夠鑑定由共生細菌的複雜群落產生的代謝物之間的關鍵差異，所述共生菌群包含存在於小鼠與人結腸中的微生物群。他們發現人體腸道微生物組產生的四種代謝產物可以幫助解釋人類結腸對EHEC的敏感性增強。該研究發表在Microbiome上。
“我們受到以下觀察的推動：當用相同病原體攻擊時，人和小鼠腸之間的敏感性經常存在巨大差異，並且過去的工作已經表明這些對感染耐受性的差異可以通過腸道微生物組的差異來解釋。在這些物種之間，“負責這項研究的Wyss研究所創始主任Donald Ingber博士說。“為了直接解決這個問題，我們利用人體器官芯片技術，將其與生物反應器中產生的微生物代謝產物以及代謝組學分析相結合，深入瞭解這種物種特異性對EHEC敏感性差異的分子基礎。”
由於EHEC主要感染人體結腸，該團隊首先使用其微流體培養技術組裝結腸芯片，並利用他們最近的進展，使用稱為類器官的腸組織碎片作為中間體，以產生自發形成指狀的高功能性腸上皮細胞。在設備中稱為腸絨毛的投射。在結腸芯片中，結腸上皮細胞系排列兩個平行通道中的一個（“腸腔通道”），所述通道由塗有細胞外基質（ECM）的多孔膜分開，細胞優先粘附於細胞外基質。相反的通道（“血管通道”）由人體腸內皮細胞排列，所述人體內皮細胞模擬支持結腸上皮並與結腸上皮通信的血管。
大腸桿菌。圖片來源：Rocky Mountain Laboratories，NIAID，NIH
該團隊測試了模擬大腸環境的生物反應器中培養的複雜小鼠和人類微生物群落產生的可溶性分子的完全複雜性是否不同地影響人類結腸芯片中的EHEC感染性。“引人注目的是，在加入人類微生物組特異性代謝物後，人類結腸上皮細胞受到嚴重損傷，細胞死亡並從組織中脫落出現大的病變，而暴露於小鼠微生物組特異性代謝物的同一人類上皮細胞受到的影響要小得多， “第一作者Alessio Tovaglieri說道，他是瑞士蘇黎世聯邦理工學院的學生，在Ingber的團隊中完成了他的研究生工作。“有趣的是，致病性EHEC細菌在沒有微生物組代謝物的情況下沒有損傷結腸組織，
該團隊能夠證明人和小鼠微生物組代謝物引發的損傷差異不是由於炎性細胞因子的變化，志賀毒素產生的差異，或EHEC定植結腸上皮的能力的改變。為了更接近實際的根本原因，他們進行了轉錄組學分析，分析了暴露於人和小鼠微生物組代謝物的EHEC細菌中基因表達的變化和代謝組學分析，以確定兩種代謝物混合物的化學組成的差異。
“編碼在EHEC趨化性和鞭毛運動中起作用的蛋白質的基因在人類微生物組代謝物特異性上調的基因中得分最高，這些基因似乎增強了致病性，有趣的是，我們發現暴露於人類微生物組代謝物的EHEC細菌更具活力，“Tovaglieri說。鞭毛是複雜細長的附屬物，許多細菌像馬達一樣使用它們將自己移向食物來源（趨化性）。
在兩種代謝物混合物中以不同水平存在的426種代謝物中，四種人類微生物組代謝物的組合（其與小鼠微生物組中的水平相比均升高）足以增加培養皿中的EHEC運動性。重要的是，它們也足以將通常無害的小鼠微生物組的代謝物混合物轉化為促進人類結腸芯片裝置中結腸組織損傷的一種，使其與人類微生物組的代謝物一樣有效。在已知對EHEC感染更敏感的兒童中，發現這些相同代謝物中的一些含量高得多。
“這項工作揭示了潛在的分子靶點，如果我們能夠開發抑制其產生或增強其在人體中的去除方法，可以幫助減輕EHEC患者的痛苦。同樣的人體器官芯片方法與代謝組學相結合可以幫助識別介導的其他代謝物保護作用，並增加對未來其他感染的耐受性。它還可以幫助我們進一步瞭解為什麼某些人對感染敏感而其他人容忍，“Ingber說。
