《Communications Biology》：Development of a novel humanized gut-brain axis model as a tool toward personalized nutrition
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本研究针对肠脑轴相互作用机制不清的问题，开发了一种新型ex vivo-in vitro人源化肠脑轴模型。研究人员通过收集健康人群和肠易激综合征（IBS）患者结肠活检组织在Ussing chamber中暴露于丁酸盐或粪便发酵上清液后产生的浆液，探究其对血脑屏障（BBB）模型——人真皮成纤维细胞中色氨酸转运系统（LAT1/SLC7A5和LAT2/SLC7A8）的影响。研究发现浆液本身不改变色氨酸转运，但在氧化应激（H2O2）前暴露显示保护作用，尤其HC-FERFIB组显著增加色氨酸摄取。该模型为研究肠道代谢物经体液途径影响BBB功能提供了新平台，有助于个性化营养策略开发。
在我们身体的深处，肠道和大脑之间存在着一条神秘而精细的通信线路——肠脑轴。这个双向交流系统不仅影响着我们的消化功能，更与情绪、压力反应甚至神经系统疾病密切相关。然而，科学家们一直面临着一个关键挑战：如何准确模拟人体内肠道代谢物如何通过血液循环影响血脑屏障（BBB）功能？传统动物模型无法完全复制人类生理特性，而现有的体外模型又难以捕捉个体差异。这正是?rebro大学研究团队在《Communications Biology》上发表的最新研究要解决的核心问题。
为了突破这一瓶颈，研究人员创新性地开发了一种结合离体（ex vivo）和体外（in vitro）实验技术的人源化肠脑轴模型。他们从健康志愿者和肠易激综合征（IBS）患者体内获取结肠活检组织，通过Ussing chamber系统模拟肠道屏障功能。这些组织分别经过体内丁酸盐灌注或离体粪便纤维发酵上清液暴露后，收集其浆液侧液体——这些液体相当于通过了肠道屏障的"血液成分"。随后，研究人员用这些浆液培养人真皮成纤维细胞（作为血脑屏障的简化模型），系统评估了它们对色氨酸转运系统的影响。
研究采用的关键技术方法包括：通过Ussing chamber系统收集人结肠活检组织暴露于不同干预（体内丁酸盐、离体粪便发酵上清液）后的浆液；使用人真皮成纤维细胞作为血脑屏障功能模型；通过qPCR、ELISA和放射性标记示踪分别评估色氨酸转运相关基因表达（SLC7A5、SLC7A8、SLC3A2）、蛋白表达（LAT1、LAT2）和功能活性；利用氧化应激（H2O2）模型评估浆液的保护/治疗潜力；采用高分辨率质谱（UHPLC-qToF-HRMS）全面分析浆液和细胞代谢组。
浆液特性表征
浆液显示无需氧菌生长，pH约8.5，蛋白质浓度极低。所有10种促炎细胞因子均被检测到但水平较低。代谢组学分析显示，不同浆液中的短链脂肪酸（SCFA）谱存在差异，其中来自粪便纤维发酵上清液暴露活检的浆液（HC-FERFIB）在己酸、丙酸和戊酸浓度上视觉上较高，而乙酸浓度较低于体内丁酸盐灌注后样本。
浆液对成纤维细胞形态、活力和细胞毒性的影响
显微镜检查显示所有条件下的成纤维细胞均保持典型纺锤形形态。急性（1小时）和相对延长（24小时）暴露于浆液对细胞毒性（细胞膜完整性）或细胞活力（代谢活性）均无影响。10μM H2O2可诱导应激，视觉上阻碍代谢活性，但无细胞毒性。
浆液对色氨酸转运体的影响
在单独暴露于浆液时，色氨酸转运体相关基因（SLC7A5、SLC7A8、SLC3A2）表达、蛋白表达（LAT1、LAT2）及功能活性（色氨酸摄取）均未受显著影响。
然而，在氧化应激前24小时预防性暴露于浆液显著改变了基因表达：所有条件下的SLC7A5表达均出现生物学相关（低于0.5倍标记）且显著下降；SLC7A8在健康受试者和IBS患者浆液（HC-CON和IBS-CON）及粪便纤维发酵上清液（HC-FERFIB）暴露后显著下降。蛋白表达方面，LAT1未受显著影响，而暴露于HC-FERFIB浆液1小时显著增加了LAT2表达。
功能上，在24小时预防条件下，与G-Krebs相比，HC-FERFIB浆液孵育后色氨酸摄取显著增加（+6.9±1.9 nmol/mg蛋白），而治疗条件无效应。
分子后果——细胞收获物和条件培养基的代谢物谱
代谢组学分析显示，细胞收获物与上清液具有不同的代谢物谱，前者检测到的代谢物较少。1小时和24小时暴露条件的代谢物谱视觉上相似，但某些代谢物的变化在24小时暴露中强度增加。
研究结论表明，这种新型人源化肠脑轴模型成功模拟了肠道代谢物通过肠道屏障后对血脑屏障功能的影响。特别值得注意的是，浆液在氧化应激前（而非应激后）应用显示出保护作用，这更符合生理相关情况。离体操作产生的浆液（如HC-FERFIB）比体内操作产生的浆液效应更显著，提示离体方法可能更适合当前模型研究。该模型的优势在于其"人源化"特性——直接使用人体来源的材料（结肠活检、浆液），且成纤维细胞易于从个体分离，可与个体结肠活检和浆液结合进行个性化研究。这为精准营养和医学应用提供了强大工具，未来可扩展至三维共培养或诱导多能干细胞（iPSC）衍生模型，进一步增强其生理相关性和个性化潜力。
