患者对免疫检查点抑制剂（ICIs）的反应会受到胃肠道微生物组的显著影响。自问世以来，ICIs在癌症治疗，尤其是黑色素瘤治疗方面取得了显著而持久的疗效。这些疗法针对的是肿瘤为逃避免疫监视而利用的抑制信号通路，而免疫监视旨在控制失控的炎症反应。
虽然小鼠模型常用于研究微生物组与宿主的相互作用，但由于小鼠和人类在解剖学、功能、免疫学和微生物方面存在很大差异，因此其有效性受到限制。肠道微生物组由多种微生物组成，作为肿瘤外在因素发挥着至关重要的作用，可以预测和影响免疫疗法的结果。
微生物组在空间和功能上都受到肠道粘膜的限制，肠道粘膜是抵御病原体的屏障，同时与免疫系统形成有益的关系。然而，由于缺乏免疫疗法期间肠道活检的临床方案，限制了对微生物组-宿主串扰的分子机制的探索。这种限制阻碍了将肠上皮细胞的作用与微环境中其他成分区分开来的能力，从而影响了我们对微生物组如何影响免疫疗法反应的理解。
在这里，
来自欧洲肿瘤研究所（Istituto
Europeo di Oncologia-IEO）的Mattia Ballerini等人
展示了通过粪便微生物群和蠕动样运动模拟人类肠道结构和功能的片上肠道系统，该系统再现了微生物与宿主的相互作用，并预测了黑色素瘤患者对免疫检查点抑制剂的反应。该系统由一个种有人类微血管内皮细胞的血管通道和一个种有从人类诱导多能干细胞中提取的肠道有机体的肠道通道组成，两个通道由胶原基质隔开。通过将黑色素瘤患者的粪便样本纳入肠道通道并进行多组学分析，作者们发现了与黑色素瘤患者临床结果相关的上皮特异性生物标志物和微生物因子，并发现无应答者的微生物组能够缓冲细胞压力和降低自我更新的能力。该芯片上的肠道模型可能有助于确定预后生物标志物和治疗靶点。
开发芯片肠道
作者们创建适用于实时多组学检测的一体化肠道芯片模型。该模型有一个肠道区和一个血管区，由类似ECM的凝胶层隔开。
肠道区可接种人类诱导多能干细胞（hiPSC）衍生的器官组织或Caco-2和HT-29MTX的共培养物，而血管区则使用人类微血管内皮细胞（HMEC-1）。
Figure 1 源自 hiPSCs 的芯片肠道模型
机械驱动塑造肠上皮细胞
在芯片上使用hiPSC衍生的肠道器官组织可为任何健康参与者或患者进行定制研究，提供对顶端和基底上皮细胞区的访问。作者们对以前的方法进行了调整，得到了极化的肠屏障，其中有各种相关的细胞类型，包括上皮细胞、鹅口疮细胞、肠内分泌细胞和Paneth细胞。
作者们还研究了类似蠕动的运动对芯片上hiPSC衍生肠道的影响。机械刺激增加了增殖（Ki67：静态5.44%vs.动态16.44%）、极化（绒毛蛋白：静态90.80%vs.动态150.20%）和粘液分泌（MUC5AC和MUC2）。这也
促进了三维超细胞绒毛状结构的形成。
此外，内皮细胞会影响肠上皮细胞的生长和功能。作者们在芯片的一个通道中种植了Caco-2和HT-29MTX细胞。
共培养增加了绒毛蛋白和ZO-1的表达，表明肠道屏障更加紧密。葡聚糖的渗透性降低，证实了内皮共培养可加速上皮成熟，形成功能性屏障。
对屏障功能的评估表明，两个管状结构是独立的，上皮一侧的测量渗透率为 1.01 × 10
-
⁷
cm/s，微血管一侧的测量渗透率为 1.41 × 10
-
⁷ cm/s。
Figure 2 芯片肠道模型
芯片肠道中的转录变化模拟上皮反应
肠道微生物影响着宿主约10%的转录组，尤其是与免疫和新陈代谢有关的基因。作者们评估了由Caco-2和HT-29MTX细胞衍生的肠道芯片模型对黑色素瘤患者整个粪便样本及其非生物上清液的影响。
主成分分析表明转录发生了重大变化，粪便样本中有3278个差异表达基因（DEG），而上清液中有1119个差异表达基因（DEG）。基因组富集分析表明上皮细胞发生了重编程，与病原体反应和TNF信号转导相关的通路被激活，同时细胞周期和线粒体代谢基因下调，这些都凸显了微生物群的独特作用。
为了研究微生物组与宿主之间的相互作用，作者们将暴露于粪便的芯片肠道模型的转录组与来自常规小鼠和无菌小鼠的公开数据集进行了比较。
作者们确定了3278个重要的差异表达基因（DEG），并发现了共同的富集基因本体。
两种系统都表现出类似的通路调节，上调炎症和代谢信号，同时下调线粒体和细胞周期功能。这种芯片肠道模型有效地研究了宿主-微生物组之间的相互影响，提供了与生物学相关的见解，可以补充并可能减少对动物模型的依赖。
Figure 3 芯片上的肠道再现了体内对粪便微生物群反应的生物学相关方面
芯片肠道揭示了无应答患者的促炎症特征
肠道微生物组对免疫检查点抑制剂（ICI）治疗的反应有重大影响，但仅凭微生物组分析预测黑色素瘤患者的反应仍具有挑战性。治疗性粪便微生物群移植结果的差异凸显了人们在理解肠道微生物群-宿主相互作用方面的差距。
作者们利用肠道芯片模型评估了对免疫疗法有应答或无应答的黑色素瘤患者粪便样本的影响。
PCA分析表明，无应答患者样本的转录组特征与众不同，细胞周期和代谢通路显著下调，炎症信号转导上调。值得注意的是，无反应患者的粪便诱导了大量促炎效应，可能会损害他们的免疫疗法反应。
Figure 4 芯片肠道对接受免疫疗法的黑色素瘤患者粪便微生物群反应的转录谱分析
芯片肠道微生物群反应与免疫疗法数据相匹配
作者们在肠道芯片模型上使用定量共聚焦显微镜比较了无反应和有反应黑色素瘤患者的粪便样本。无论微生物组来源如何，Caspase-3染色均有所增加。然而，在无应答患者的样本中，ZO-1和β-catenin的表达明显下降。相比之下，有应答的患者的微生物群与健康供体相似，保持了屏障的完整性。厌氧条件下的类似结果表明，这些发现与生物学相关，而非技术伪影。总之，无应答患者粪便的促炎能力对肠道屏障功能产生了负面影响，凸显了不同患者群体之间免疫反应机制的关键差异。VE-cadherin表达下降也说明了无应答患者的粪便样本损害了微血管屏障的完整性。此外，微血管内皮细胞活化增加，表现为ICAM-1水平升高。这些发现表明，
与有应答的患者不同，无应答患者的微生物群破坏了肠道组织的平衡状态。
Figure 5肠芯片可区分无反应患者的粪便微生物群和有反应患者的粪便微生物群
两组患者的粪便样本显示出相似的细菌量，表明观察到的不同效应是由于微生物组成的质的差异而不是量的差异。全基因组元基因组测序证实，无应答患者的粪便中富含与LPS相关的细菌基因，这与LPS/TLR信号激活相关的转录变化一致。
这凸显了特定微生物功能在调节免疫疗法免疫反应中的潜在作用，强调了宿主与微生物组相互作用的复杂性，以及将共生物种划分为有益或有害物种所面临的挑战。
作者们将肠道芯片模型暴露于来自大肠杆菌的脂多糖（LPS），观察到屏障功能的丧失，类似于无应答患者粪便造成的屏障功能丧失。
LPS处理导致ZO-1和E-cadherin下调，同时增加了内皮细胞上ICAM-1的表达。此外，
分离出的人类T细胞在LPS的存在下显示出更强的粘附性，表明HMEC-1的活化增强
。这些研究结果表明，无应答患者的粪便具有更强的促炎作用，这可能是由于依赖于LPS的信号通路激活增加所致，突出了特定微生物成分在调节免疫反应中的重要作用。
Figure 6 用LPS治疗产生的效果与非反应性患者粪便微生物群在芯片肠道上产生的效果相似
无应答患者微生物群中的可溶性因子可模拟LPS的炎症效应
粪便微生物群移植与免疫检查点抑制剂（ICI）的治疗潜力已得到证实，但确定哪些微生物群成分会产生有益或有害影响仍存在争议。该研究发现，无应答患者粪便上清液中的可溶性因子会显著降低上皮细胞中的ZO-1水平，并增加内皮细胞中ICAM-1的表达。相比之下，有应答患者的上清液对屏障完整性的影响微乎其微。此外，与对照组相比，用无应答患者的上清液处理会诱导更高水平的炎症分子，包括IL-6和血管内皮生长因子。
这些发现强调了可溶性因子在介导肠道促炎反应中的作用。
作者们观察到，在接触各种微生物成分时，尤其是接触有应答的患者的全粪便时，IL-1β的释放明显增加，无论是在有氧条件下还是在无氧条件下。这种反应与其转录调节因子JUN的表达增加有关。有应答的患者的微生物群表现出与健康供体相似的特征，这表明他们有独特的反应模式。
关于IL-1β在肠道屏障完整性中作用的相互矛盾的观察结果可能源于参与组织损伤和修复的重叠机制。
此外，有患者的粪便处理后，TLR-5的表达增加，这暗示了IL-1β、IL-10和TLR-5信号的协调调节。元基因组分析进一步证实了这一点，在有反应的患者中发现了更多与鞭毛蛋白相关的基因，而鞭毛蛋白是 TLR-5配体。
Figure 7反应性患者和非反应性患者的粪便微生物群在芯片上引发不同的炎症反应
