阐明小肠内复杂的流动动力学

科学界非常清楚肠道细菌及其与胃肠道的相互作用对我们整体健康的重要作用。众所周知，绒毛是排列在小肠 (SI) 内部的微小指状结构，可与肠道细菌相互作用并引发保护性免疫反应。然而，尽管研究了这些相互作用背后的分子机制，但人们对绒毛周围液体流动的动力学知之甚少。

虽然计算机模拟有助于此类观察，但 SI 内的流动(也称为“管腔流动”)的绝对复杂性使这些实验复杂化。此外，SI 的缠绕结构以及不规则的横截面，以及在食物运输、保留和混合中发挥作用的肠道运动，使事情变得更具挑战性。具有足够时空分辨率的管腔流的显微观察是一种可行的选择。然而，在解剖的 SI 组织中维持和控制运动的困难阻碍了对管腔流动机制的系统评估。

为了解决这种情况，由石田忠副教授和博士生 Satoru Kuriu 领导的东京工业大学科学家团队最近开发了一个创新的实验平台，用于研究绒毛周围管腔流动的精细细节。在他们于 2023 年 5 月 22 日发表在“芯片实验室”杂志上的研究中，科学家们概述了微流体系统的设计和应用，用于观察从动物模型获得的解剖 SI 切片中显微荧光珠的运动。

拟议的微流体装置的一个关键特征是使用一系列气动气球执行器 (ABA) 从外部压在 SI 部分的壁上。这些小型气动元件在使用外部泵有策略地充气和放气时，会使 SI 样品变形，从而在绒毛周围产生动态流动(图 1)。

使用这种气动驱动的微流体肠通道装置，科学家们进行了多项实验并记录了荧光珠运动的多个视频，这些荧光珠作为组织中肠道细菌的替代品。“虽然我们使用的微珠在形状或某些蛋白质的存在方面与真正的肠道细菌不同，但我们相信它们是简单而好的替代品，至少对于流动观察而言，”Ishida 博士解释道。“因此，我们提出的设备可用于直接分析 SI 内的物理流量。”

科学家们通过手动和借助专用软件跟踪单个珠子，这些软件使他们能够对粒子的速度和轨迹进行详细的定量分析(图 2)。

通过这种方法，该团队能够识别绒毛周围各种类型的独特流动行为，并观察产生这些行为的可能潜在机制。“我们的结果表明，在 SI 中观察到的运输、保留和混合的不同流动是由其不均匀的形状和动态变形产生的，”Ishida 博士强调说。“对于未来的研究，我们的分析演示可以作为研究一些独特的肠道细胞亚群或紧密连接与肠道细菌之间关系的线索。”

总而言之，这项研究的结果可以促进对人类消化道复杂流体动力学的理解。我们希望这一发展将为我们与极其重要的微观肠道搭便车者的关系铺平道路。