一种高通量厌氧肠芯片系统及在评价益生菌缓解肠炎功能中的应用

本发明属于微流控芯片，尤其是涉及一种高通量厌氧肠芯片系统及在评价益生菌缓解肠炎功能中的应用。

背景技术：

1、如今益生菌及其相关产品已经成为一个持续增长的产业，是世界上最常用的食品补充剂之一。由于益生菌有益人体健康已得到学术界的广泛认可，越来越多的人开始重视如何用生物疗法取代药物去调理慢性疾病。近年来，益生菌的使用也得到了医学界的广泛支持，尤其是胃肠科。相关研究表明，益生菌可通过菌体本身或其代谢产物或者通过调节肠道微生态来达到预防/治疗肠道疾病的目的。然而，可用于预防和治疗肠道疾病的益生菌种类繁多，其菌株来源不同、产生的代谢产物不同，导致其治疗效果和机制也有所差异。因此，深入挖掘并解析益生菌的功效与健康作用机制，筛选特定功能益生菌，实现益生菌对机体健康更加精准、有效和安全的支持，成为全球研究的热点及产业创新发展的主要方向。

2、目前，为了开发益生菌产品，在进行临床实验研究之前，益生菌功能筛选一般先经过体外益生菌筛选及功效评价，随后利用动物模型明确菌株的安全性和有效性。体外益生菌筛选及功效评价主要利用益生菌的产酸、产气以及生长代谢方面等特性进行选择性培养，进而对其胃酸耐受性、胆盐耐受性、抑制病原菌、降胆固醇等功效的评定；基于细胞模型研究益生菌与特定细胞间的互作进而进行的黏膜粘附性、抗氧化、调节免疫等功效的评价。传统筛选方法存在诸多弊端，如操作繁琐、检测周期长、辨识能力差、通量低等问题。为了简化操作步骤、提高筛选通量、降低筛选的时间和经济成本，研究者们提出基于分子生物学技术的功能基因筛选以及基于体外发酵模型研究益生菌及益生元对肠道菌群组成和代谢活性调节的影响。上述方法虽然很大程度改善了益生菌筛选的现状，整体提高了筛选水平，但是目前仅能实现对益生菌的筛选，并不能对筛选到的益生菌进一步地功能性分析及验证，无法确定益生菌发挥生理功能的机理。动物实验和人体实验对于研究益生菌的益生作用具有重要意义，该研究可以确定益生菌的摄入对健康的益处以及与疾病缓解的相关性。但是现有的动物模型筛选益生菌存在周期长、成本高、筛选效率低等问题。另外由于伦理道德和经济原因，使用小鼠或猪的动物实验模型并不总是可行的，并且使用这些模型的研究结果可能是不一致的。与此同时，大部分临床研究的样本量相对较低，限制了研究结果的可靠性。因此，研究方便、快捷、精准、高通量的益生菌功能评价技术成为益生菌筛选的迫切需求。

3、近年来，肠芯片技术的发展为特定功能的益生菌快速、精准、高通量筛选提供了可能。肠芯片是基于微流控技术发展起来的一种仿真人体肠道芯片系统。虽然肠芯片可实现功能益生菌的高通量培养，然而，如何对具有相同功能的多种益生菌菌株的进行精准的功效评价，筛选功效最好的益生菌仍然具有挑战。传统的功效评价标准依赖于检测指标如肠屏障功能、细胞因子水平在不同实验组间简单对比，仅能实现对益生菌是否有益生功能进行评估，无法精准判定某菌株的功效最优，导致目前大部分益生菌筛选技术仅能筛出同种功能的某一类菌株，不能基于多维的功效评价检测指标进一步筛选出功效最优的菌株。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种高通量厌氧肠芯片系统及在评价益生菌缓解肠炎功能中的应用。

2、本发明采用的技术方案是：一种高通量厌氧肠芯片系统，包括，

3、微流控芯片，其内设有肠细胞和培养基；

4、流体灌注装置，包括注射泵、输入管路和回收管路，所述注射泵通过所述输入管路连通所述微流控芯片，所述回收管路连通所述微流控芯片下游；

5、氧气监测芯片，连通所述微流控芯片上游；

6、微型厌氧箱，包括箱体，厌氧包和加热装置，一个或多个所述厌氧包设置在所述箱体内，所述加热装置能够用于对所述箱体加热，所述微流控芯片设置在所述箱体内。

7、优选地，微流控芯片包括上层芯片、中层芯片和下层芯片，所述上层芯片上设有上层菱形腔室，上层s形腔室；所述中层芯片上设有中层菱形腔室，中层s形腔室，所述中层芯片设置在所述上层芯片和所述下次芯片中间，所述上层s型腔室和所述中层s型腔室位置对应，通过微孔膜分隔；所述上层菱形腔室与所述中层菱形腔室不互通。

8、优选地，氧气监测芯片包括上层监测芯片和下层监测芯片，所述下层监测芯片设有培养基流通通道，并设有能够与培养基中氧气反应的荧光传感贴片，所述上层监测芯片上设有光采集装置，能够采集到荧光传感贴片上荧光强度变化；

9、优选地，所述上层芯片和所述中层芯片上游均连接有所述氧气检测芯片。

10、优选地，向所述上层芯片通道中注入肠细胞和培养基，所述下层芯片通道中注入培养基。

11、优选地，所述肠细胞为caco-2和ht29 mtx按照9:1的比例混合共培养。

12、高通量厌氧肠芯片系统在评价益生菌缓解肠炎功能中的应用。

13、优选地，包括如下步骤：

14、步骤一：构建高通量厌氧肠芯片系统，向上层芯片中注入细胞，再分别向微流控芯片中的上层芯片和中层芯片中连续灌注细胞培养基；

15、步骤二：向上层芯片中注入益生菌，向微流控芯片中灌注厌氧培养基，构建得到益生菌干预的肠细胞场景；培养后对评价指标进行检测；

16、步骤三：对多个菌种分别进行步骤1和步骤2的操作，得到多组评价指标数据，通过机器学习训练评价分析模型，基于主成分权重构建综合功效评分标准；

17、步骤四：对多个菌种按照综合功效进行排序。

18、优选地，培养基成分包括77％dmem、20％fbs、1％双抗和1％谷氨酰胺；厌氧培养基成分包括77％dmem、20％fbs、1％双抗、1％谷氨酰胺和1％l-半胱氨酸。

19、优选地，步骤三中，还构建有正常肠模型组和结肠炎组，用作益生菌干预组的比对。

20、优选地，评价指标包括细胞因子检测，屏障蛋白免疫荧光检测，炎症相关基因表达检测；

21、优选地，细胞因子检测对象为微流体芯片中下游收集到的培养基，检测炎症因子il-1β；

22、优选地，屏障蛋白免疫荧光检测检测对象为多孔膜上负载的caco-2/ht29mtx细胞；

23、优选地，炎症相关基因表达检测检测对象为多孔膜上负载的caco-2/ht29mtx细胞。

24、本发明具有的优点和积极效果是：基于高通量肠芯片和机器学习技术构建具有高效、快速、精准、智能的功能益生菌筛选系统，为益生菌的筛选提供可靠的评价工具，解决目前益生菌高通量筛选耗时、成本高、无法为益生功能精准评价提供全面、可靠的数据信息等亟待突破的难题；

25、以上述肠芯片评价系统为基础，构建高通量厌氧肠芯片，为益生菌的高通量培养提供平台；利用机器学习技术对基于肠芯片的肠炎模型的多维数据特征(基因、蛋白、细胞水平)的分析和处理，以进行全局、整体的综合评价；最终实现高通量、智能化的筛选出功效较好的益生菌菌株。

技术特征：

1.一种高通量厌氧肠芯片系统，其特征在于：包括，

2.根据权利要求1所述的高通量厌氧肠芯片系统，其特征在于：微流控芯片包括上层芯片、中层芯片和下层芯片，所述上层芯片上设有上层菱形腔室，上层s形腔室；所述中层芯片上设有中层菱形腔室，中层s形腔室，所述中层芯片设置在所述上层芯片和所述下次芯片中间，所述上层s型腔室和所述中层s型腔室位置对应，通过微孔膜分隔；所述上层菱形腔室与所述中层菱形腔室不互通。

3.根据权利要求2所述的高通量厌氧肠芯片系统，其特征在于：氧气监测芯片包括上层监测芯片和下层监测芯片，所述下层监测芯片设有培养基流通通道，并设有能够与培养基中氧气反应的荧光传感贴片，所述上层监测芯片上设有光采集装置，能够采集到荧光传感贴片上荧光强度变化；

4.根据权利要求2所述的高通量厌氧肠芯片系统，其特征在于：向所述上层芯片通道中注入肠细胞和培养基，所述下层芯片通道中注入培养基。

5.根据权利要求1-4中任一所述的高通量厌氧肠芯片系统，其特征在于：所述肠细胞为caco-2和ht29 mtx按照9:1的比例混合共培养。

6.权利要求1-5中任一所述的高通量厌氧肠芯片系统在评价益生菌缓解肠炎功能中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：培养基成分包括78％dmem、20％fbs、1％双抗和1％谷氨酰胺；厌氧培养基成分包括77％dmem、20％fbs、1％双抗、1％谷氨酰胺和1％l-半胱氨酸。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：步骤三中，还构建有正常肠模型组和结肠炎组，用作益生菌干预组的比对。

10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：评价指标包括细胞因子检测，屏障蛋白免疫荧光检测，炎症相关基因表达检测；

技术总结
本发明涉及一种高通量厌氧肠芯片系统及在评价益生菌缓解肠炎功能中的应用，高通量厌氧肠芯片系统包括微流控芯片、流体灌注装置、氧气监测芯片和微型厌氧箱，流体灌注装置能够向微流控芯片中注入培养基，氧气监测芯片设置在微流控芯片上游，微流控芯片设置在微型厌氧箱中，微流控芯片中设有肠细胞，高通量厌氧肠芯片能够模拟肠环境，通过将不同种类益生菌加入到肠芯片中，可通过检测培养所得物，或检测培养后的肠细胞，从而评价益生菌功能；进一步的可将高通量厌氧肠芯片与机器学习结合起来，利用机器学习技术对基于肠芯片的肠炎模型的多维数据特征(基因、蛋白、细胞水平)的分析和处理，以进行全局、整体的综合评价；最终实现高通量、智能化的筛选出功效较好的益生菌菌株。

技术研发人员：王硕,吴景,张博崴,刘晓霞,许福佩,顾文涛,王津
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/23