一、实验背景

（一）病原体与宿主相互作用研究背景

肠道是人体与外界环境接触的重要界面，也是众多病原体入侵的主要途径之一。病原体如肠致病性大肠杆菌（EPEC）和肠出血性大肠杆菌（EHEC）等，能够通过黏附、侵入宿主细胞以及破坏肠道黏膜屏障等方式引发疾病。

研究病原体与宿主肠道细胞之间的相互作用机制，对于理解感染过程、开发新型治疗方法以及预防措施具有重要意义。传统研究方法在模拟体内环境方面存在局限性，而类器官技术的发展为研究病原体与宿主相互作用提供了更接近生理状态的模型。

（二）微纳塑料毒性、吸收及跨屏障转运机制研究背景

微纳塑料（MNPs）作为一类新型的环境污染物，广泛存在于水体、土壤和食物中，并通过食物链进入人体。研究表明，微纳塑料能够被肠道吸收并转运至全身各个器官，可能对人体健康产生潜在危害，如引发炎症反应、影响肠道屏障功能、干扰内分泌系统等。

然而，目前对于微纳塑料在肠道内的毒性作用、吸收机制以及跨屏障转运的具体过程仍不清楚。利用先进的体外模型系统，如Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片动态培养系统，能够更好地模拟人体肠道的生理环境，有助于深入研究微纳塑料的毒性、吸收及跨屏障转运机制。

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二、实验目的

通过以下实验方案，可以利用Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片动态培养系统深入研究病原体与宿主的相互作用以及微纳塑料的毒性、吸收及跨屏障转运机制，为相关领域的研究提供有价值的实验数据和理论支持。

（一）病原体与宿主相互作用研究目的

1. 利用Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片动态培养系统构建模拟人体肠道的生理环境，研究病原体与宿主肠道细胞之间的相互作用过程，包括病原体的黏附、侵入、定植以及对宿主细胞功能的影响。

2. 探讨病原体分泌的毒素或效应蛋白在感染过程中的作用机制，以及宿主细胞的防御反应，如免疫激活、细胞凋亡等。

3. 评估不同病原体与宿主相互作用的差异，为开发针对性的治疗策略提供理论依据。

（二）微纳塑料毒性、吸收及跨屏障转运机制研究目的

1. 通过Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片动态培养系统，研究微纳塑料在肠道内的毒性效应，包括对肠道上皮细胞的损伤、炎症反应的诱导以及对肠道屏障功能的影响。

2. 探索微纳塑料在肠道内的吸收机制，包括其在肠道上皮细胞中的摄取、转运以及与细胞内分子的相互作用。

3. 研究微纳塑料跨肠道屏障转运的机制，揭示其在体内分布和潜在危害的关键环节，为评估微纳塑料对人体健康的潜在风险提供科学依据。

三、实验材料与设备

（一）实验材料

1. 病原体与宿主相互作用研究材料

- 病原体：选择常见的肠道致病菌，如肠致病性大肠杆菌（EPEC）、肠出血性大肠杆菌（EHEC）等标准菌株。

- 宿主细胞：使用人源肠道类器官，可从健康供体或患者组织样本中分离培养，或者购买商业化的肠道类器官产品。

- 培养基与试剂：DMEM/F12培养基、胎牛血清（FBS）、青霉素/链霉素（Pen/Strep）、胰蛋白酶-EDTA等常规细胞培养试剂，以及用于检测病原体与宿主相互作用的抗体、荧光标记物等。

- 其他材料：Kirkstall Quasi Vivo装置（用于共培养）、细胞培养板、离心管、移液管等。

2. 微纳塑料毒性、吸收及跨屏障转运机制研究材料

- 微纳塑料：选择不同尺寸、形状和化学性质的微纳塑料颗粒，如聚苯乙烯微球、聚乙烯微粒等，可从商业渠道购买或自行合成。

- 宿主细胞：同样使用人源肠道类器官，确保其能够模拟人体肠道的生理结构和功能。

- 培养基与试剂：与病原体研究相同的细胞培养基和试剂，以及用于检测微纳塑料毒性和细胞摄取的试剂，如细胞毒性检测试剂盒（如CCK-8试剂盒）、荧光标记的微纳塑料颗粒、荧光显微镜观察所需的滤光片等。

- 其他材料：Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片系统所需的配件，如芯片、连接管路、培养液储存器等。

（二）实验设备

1. 细胞培养设备：超净工作台、倒置显微镜、离心机、细胞计数仪等。

2. Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片动态培养系统：包括芯片、培养液循环泵、气体控制系统、温度控制系统等，用于模拟人体肠道的动态生理环境。

3. 检测设备：荧光显微镜、共聚焦显微镜、流式细胞仪、酶标仪、实时定量PCR仪、Western blot设备等，用于检测病原体与宿主相互作用以及微纳塑料的毒性、吸收和转运情况。

四、实验方法

（一）病原体与宿主相互作用研究方法

1. 肠道类器官的培养与鉴定

（1）从供体组织样本中分离肠道干细胞，并在含有特定生长因子的培养基中培养，形成3D肠道类器官。定期观察类器官的形态和生长情况，确保其具有典型的肠道上皮细胞结构和功能。

（2）对培养的肠道类器官进行鉴定，包括免疫荧光染色检测肠道特异性标志物（如肠上皮细胞标志物E-cadherin、杯状细胞标志物Muc2等）的表达，以及电镜观察类器官的超微结构，确认其与人体肠道组织的相似性。

2. 病原体与肠道类器官的共培养

（1）将培养成熟的肠道类器官转移到Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片系统中，调整培养条件，使其适应芯片系统的动态培养环境。

（2）将病原体菌液稀释至适当浓度，加入到肠道类器官培养液中，进行共培养。设置不同的时间点（如1小时、2小时、4小时、8小时等）收集样本，以便观察病原体与宿主相互作用的动态过程。

（3）在共培养过程中，定期观察肠道类器官的形态变化，记录病原体的黏附和侵入情况。可以使用荧光显微镜观察荧光标记的病原体在肠道类器官中的分布，以及宿主细胞的荧光标记物变化。

3. 病原体与宿主相互作用的检测

（1）黏附和侵入检测：通过荧光定量PCR、Western blot等方法检测病原体在肠道类器官中的数量变化，反映其黏附和侵入能力。同时，利用共聚焦显微镜观察病原体与宿主细胞的共定位情况，进一步分析其侵入细胞的深度和范围。

（2）宿主细胞功能检测：检测肠道类器官中细胞因子的表达水平，如IL-6、TNF-α等，评估宿主细胞的炎症反应。通过检测细胞凋亡标志物（如Caspase-3活性）和细胞增殖标志物（如Ki-67表达），了解病原体对宿主细胞生存和增殖的影响。

（3）肠道屏障功能检测：使用荧光标记的葡聚糖或FITC-dextran等物质，检测其在肠道类器官中的透过率，评估肠道屏障功能的完整性。同时，通过免疫荧光染色检测紧密连接蛋白（如ZO-1、occludin）的表达和分布，进一步分析肠道屏障功能的变化。

（二）微纳塑料毒性、吸收及跨屏障转运机制研究方法

1. 肠道类器官的培养与鉴定

（1）与病原体研究相同，培养人源肠道类器官，并进行鉴定，确保其具有良好的生理功能和结构特征，能够作为研究微纳塑料的合适模型。

（2）对肠道类器官进行功能测试，如检测其对不同营养物质的吸收能力、分泌功能以及肠道屏障的完整性，为后续实验提供基础数据。

2. 微纳塑料暴露与肠道类器官的共培养

（1）将微纳塑料颗粒分散在细胞培养液中，制备不同浓度的微纳塑料暴露液。根据预实验结果，选择合适的暴露浓度范围，如10 µg/mL、50 µg/mL、100 µg/mL等。

（2）将肠道类器官转移到Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片系统中，使其处于动态培养条件下。将微纳塑料暴露液加入到肠道类器官培养液中，进行共培养。设置不同的暴露时间点（如24小时、48小时、72小时等），收集样本用于后续分析。

（3）在共培养过程中，观察肠道类器官的形态变化，记录微纳塑料在肠道类器官中的分布情况。可以使用荧光显微镜观察荧光标记的微纳塑料颗粒在肠道类器官中的摄取和转运情况，以及宿主细胞的荧光标记物变化。

Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片系统

3. 微纳塑料毒性检测

（1）细胞毒性检测：使用细胞毒性检测试剂盒（如CCK-8试剂盒）检测微纳塑料暴露后肠道类器官的细胞活性变化，评估微纳塑料的细胞毒性。同时，通过检测细胞凋亡标志物（如Annexin V/PI双染）和细胞坏死标志物（如LDH释放），进一步了解微纳塑料对细胞生存的影响。

（2）炎症反应检测：采用ELISA或实时定量PCR等方法检测微纳塑料暴露后肠道类器官中炎症因子（如IL-6、TNF-α、IL-1β等）的表达水平，评估微纳塑料诱导的炎症反应程度。

（3）氧化应激检测：通过检测活性氧（ROS）水平、抗氧化酶（如SOD、CAT）活性以及氧化损伤标志物（如MDA含量），分析微纳塑料暴露对肠道类器官氧化应激状态的影响。

4. 微纳塑料吸收机制研究

（1）细胞摄取实验：使用荧光标记的微纳塑料颗粒，观察其在肠道类器官中的摄取过程。通过共聚焦显微镜观察微纳塑料颗粒在细胞内的分布，分析其是否进入细胞内特定的细胞器（如溶酶体、线粒体等）。

（2）吸收机制探讨：利用不同抑制剂（如抑制内吞作用的抑制剂、抑制能量代谢的抑制剂等）处理肠道类器官，观察微纳塑料摄取的变化，推测其吸收机制。例如，使用氯化铵抑制溶酶体酸化，观察微纳塑料在溶酶体中的积累情况；使用2-脱氧-D-葡萄糖抑制细胞能量代谢，检测微纳塑料摄取的变化等。

（3）分子水平研究：通过Western blot或实时定量PCR等方法检测与微纳塑料吸收相关的分子标志物（如内吞相关蛋白、细胞骨架蛋白等）的表达变化，进一步揭示微纳塑料吸收的分子机制。

5. 微纳塑料跨屏障转运机制研究

（1）屏障完整性检测：在微纳塑料暴露前后，检测肠道类器官的肠道屏障功能，如检测紧密连接蛋白的表达和分布、测量跨膜电阻（TEER）值等，评估微纳塑料对肠道屏障完整性的影响。

（2）转运实验：将荧光标记的微纳塑料颗粒加入到肠道类器官的上室培养液中，收集下室培养液，检测微纳塑料的转运量。通过计算转运率，评估微纳塑料跨肠道屏障的转运效率。

（3）转运机制探讨：利用不同抑制剂处理肠道类器官，观察微纳塑料转运的变化，推测其转运机制。例如，使用抑制紧密连接蛋白的抑制剂、抑制细胞间通道的抑制剂等，分析微纳塑料跨屏障转运的关键环节。同时，通过检测细胞内信号通路的激活情况（如MAPK信号通路、NF-κB信号通路等），探讨微纳塑料跨屏障转运的信号调控机制。

五、实验结果分析与讨论

（一）病原体与宿主相互作用研究结果分析与讨论

1. 黏附和侵入结果分析：通过荧光定量PCR、Western blot和共聚焦显微镜观察等方法得到的病原体黏附和侵入数据，分析不同病原体在肠道类器官中的黏附和侵入能力差异。讨论病原体表面结构、分泌的毒素或效应蛋白等因素对其黏附和侵入过程的影响，以及宿主细胞的防御机制如何限制病原体的侵入。

2. 宿主细胞功能变化结果分析：细胞因子表达水平、细胞凋亡和增殖标志物的检测结果，反映了病原体感染对宿主细胞功能的影响。分析病原体诱导的炎症反应机制，探讨细胞凋亡和增殖变化对肠道组织稳态和修复的影响，以及这些变化如何与病原体的致病性相关联。

3. 肠道屏障功能变化结果分析：荧光标记葡聚糖透过率和紧密连接蛋白表达分布的检测结果，揭示了病原体对肠道屏障功能的破坏作用。讨论病原体破坏肠道屏障的可能机制，如毒素对紧密连接蛋白的直接作用、宿主细胞炎症反应对屏障功能的间接影响等，以及肠道屏障功能的破坏如何促进病原体的进一步侵入和感染扩散。

（二）微纳塑料毒性、吸收及跨屏障转运机制研究结果分析与讨论

1. 微纳塑料毒性结果分析：细胞毒性检测、炎症反应检测和氧化应激检测结果，综合评估了微纳塑料对肠道类器官的毒性效应。分析不同尺寸、形状和化学性质的微纳塑料毒性差异，探讨其毒性作用机制，如物理损伤、化学毒性、免疫激活等。讨论微纳塑料毒性与暴露浓度、暴露时间的关系，以及其对人体健康的潜在危害。

2. 微纳塑料吸收结果分析：荧光标记微纳塑料颗粒的细胞摄取实验和吸收机制探讨结果，揭示了微纳塑料在肠道类器官中的吸收过程和机制。分析微纳塑料的吸收途径，如内吞作用、吸附作用等，以及细胞内分子标志物的变化如何反映吸收过程。讨论微纳塑料吸收机制与颗粒特性（如尺寸、表面电荷等）的关系，以及其在体内的潜在积累和分布情况。

3. 微纳塑料跨屏障转运结果分析：屏障完整性检测和转运实验结果，评估了微纳塑料跨肠道屏障的转运效率和对屏障功能的影响。分析微纳塑料转运机制，如细胞旁路转运、细胞内转运等，以及信号通路激活情况如何调控转运过程。讨论微纳塑料跨屏障转运的潜在风险，如进入血液循环后的分布和毒性，以及如何通过调节肠道屏障功能来降低微纳塑料的转运风险。

六、实验结论与展望

（一）病原体与宿主相互作用研究结论与展望

1. 结论：总结病原体与宿主肠道细胞相互作用的主要发现，包括病原体的黏附和侵入机制、宿主细胞的防御反应以及肠道屏障功能的变化等。Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片动态培养系统在模拟人体肠道生理环境和研究病原体与宿主相互作用方面的优势，以及本研究对于理解肠道感染机制和开发新型治疗策略的重要意义。

2. 展望：提出未来研究方向，如进一步深入研究病原体分泌的毒素或效应蛋白的作用机制，探索宿主细胞的免疫应答信号通路，以及利用该系统研究其他病原体与宿主相互作用等。建议开展体内实验验证体外研究结果，以及开发基于肠道类器官的高通量筛选平台，用于筛选抗病原体感染的药物和疫苗。

（二）微纳塑料毒性、吸收及跨屏障转运机制研究结论与展望

1. 结论：总结微纳塑料在肠道类器官中的毒性效应、吸收机制和跨屏障转运机制的主要研究结果。Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片动态培养系统在研究微纳塑料生物效应方面的应用价值，以及本研究对于评估微纳塑料人体健康风险和制定相关环境政策的重要参考意义。

2. 展望：提出未来研究方向，如进一步研究微纳塑料在不同生理状态下的毒性变化，探索微纳塑料与其他环境污染物的联合作用机制，以及利用该系统研究微纳塑料对其他器官和组织的影响。建议加强微纳塑料在人体内的长期暴露研究，以及开发有效的微纳塑料降解和去除技术，以减少其对环境和人体健康的危害。

七、实验注意事项与建议

（一）病原体与宿主相互作用研究注意事项与建议

1. 病原体处理：在操作病原体时，严格遵守生物安全规定，佩戴适当的防护装备，防止病原体污染和传播。确保病原体的纯度和活性，避免因病原体污染或失活影响实验结果。

2. 类器官培养：优化肠道类器官的培养条件，确保其具有良好的生理功能和结构特征。定期观察类器官的生长状态，及时调整培养液成分和培养条件，以维持类器官的稳定性和一致性。

3. 共培养条件：在病原体与肠道类器官共培养过程中，注意控制病原体的感染复数（MOI），避免过高或过低的感染复数影响实验结果的解读。同时，确保共培养系统的稳定性和动态性，模拟人体肠道的生理环境。

4. 检测方法选择：根据研究目的选择合适的检测方法，如荧光定量PCR、Western blot、免疫荧光染色等。确保检测方法的灵敏度和特异性，避免假阳性或假阴性结果。同时，结合多种检测方法，从不同角度分析病原体与宿主相互作用的机制。

（二）微纳塑料毒性、吸收及跨屏障转运机制研究注意事项与建议

1. 微纳塑料制备：在制备微纳塑料暴露液时，确保微纳塑料颗粒的均匀分散，避免颗粒聚集影响实验结果。可以使用超声处理、表面修饰等方法提高微纳塑料的分散性。同时，严格控制微纳塑料的浓度和暴露时间，确保实验条件的可重复性。

2. 类器官暴露：在微纳塑料暴露过程中，注意观察肠道类器官的形态变化和生理功能，避免过高浓度或过长时间的暴露导致类器官的过度损伤。定期更换培养液，确保微纳塑料暴露液的稳定性。

3. 检测方法优化：对于微纳塑料的毒性、吸收和转运检测，选择合适的荧光标记物和检测指标，确保检测结果的准确性和可靠性。在使用抑制剂研究吸收和转运机制时，注意抑制剂的浓度和作用时间，避免抑制剂对细胞产生非特异性毒性。

4. 实验重复与统计分析：进行多次实验重复，确保实验结果的稳定性和可靠性。在数据分析时，采用适当的统计方法，如单因素方差分析（ANOVA）、t检验等，对实验数据进行统计分析，得出具有统计学意义的结论。

发布于：北京市