利用微流控芯片实现肠道内氧浓度梯度的体外模拟和多种神经化学信号的实时监测

肠道内微生物组释放出的代谢物与肠粘膜细胞、神经细胞和常驻免疫细胞进行交流，从而促进肠脑轴的双向交流。测量肠道内各类细胞之间的交流可以提供有关肠道和大脑健康关键调节因子的重要信息。然而，肠道的微生物环境在很大程度上依赖于肠壁上存在的生理氧梯度。同样，我们也需要能在体外实时监测肠道信号传导的方法。但由于无法在体外充分培养肠道组织，同时也无法暴露肠道的适当位置以进行探针插入和监测，因此这仍具有挑战性。

精确切割肠切片的氧梯度需求

为解决上述问题，近期，来自美国辛辛那提大学（University of Cincinnati）的研究人员设计并制造了一种3D打印微流控芯片，其具备与外部神经化学记录技术相结合的能力，用于在精确切割的小鼠肠道切片上保持氧气梯度。相关研究以“A microfluidic chip for sustained oxygen gradient formation in the intestine ex vivo”为题，发表在《Lab on a Chip》期刊上。

维持向肠道切片输送的氧气梯度的微流控芯片

具体而言，该研究设计了一种3D打印微流控芯片，用于在体外模拟肠道内的氧浓度梯度环境，为肠切片提供培养基质。该研究制备的肠切片保留了组织结构和细胞分布，比2D细胞培养模型更接近原有生理环境。制备的微流控芯片通过多个出口孔分别输送含氧量不同的培养基，在肠切片下方形成中心低浓度、边缘高浓度的氧浓度梯度，与肠道内真实情况相符。同时，微流控芯片采用开放式设计，从而便于对肠切片进行荧光成像和外部电化学监测，可以实现对特定区域的定点监测。此外，研究人员利用快速扫描循环伏安法（FSCV）和碳纤维微电极，首次在肠切片内同步测量了血清素和褪黑激素的信号变化。

观察到的血清素和褪黑激素瞬时值在芯片上和芯片外培养之间具有统计学上的相似性

综上所述，该研究制备的微流控芯片可以有效重建肠道氧浓度梯度，并保持肠切片的活性。该研究首次在肠道组织中实现了多种神经递质的同时实时监测，为研究肠道细胞间信号传导提供了新方法，有助于深入理解肠道生理和病理过程。此外，该微流控平台设计灵活，可应用于其他需要创建生理梯度的组织培养应用领域。