南開新聞網(wǎng)訊（通訊員 吳景 陳賾）近日，南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院、公共衛(wèi)生與健康研究院王碩教授團(tuán)隊(duì)在食品營(yíng)養(yǎng)與健康領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)一種集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法的智能腸道芯片，用于快速篩選能有效緩解炎癥性腸病的益生菌。相關(guān)研究成果以An Intelligent Intestine-on-a-Chip for Rapid Screening of Probiotics with Relief-Enteritis Function為題，發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。

　　包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎在內(nèi)的炎癥性腸病，通常被認(rèn)為是由腸道菌群失調(diào)引起的免疫系統(tǒng)異常反應(yīng)，對(duì)全球健康安全造成嚴(yán)重威脅。益生菌緩解炎癥性腸病的潛力在于恢復(fù)腸道細(xì)菌的正常平衡，并刺激腸道愈合。然而，目前的體外篩選技術(shù)使用基于細(xì)胞系的靜態(tài)培養(yǎng)物和納米多孔插入物，常用于評(píng)估藥物與人體結(jié)腸的相互作用，但這些技術(shù)尚未廣泛用于測(cè)試細(xì)菌的安全性和性能。由于細(xì)菌快速生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)和氧氣耗竭、微生物廢物積累、pH 值下降和細(xì)胞死亡，這種技術(shù)無法維持嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，從而阻礙了宿主-微生物組共培養(yǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。雖然基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和生物信息學(xué)等各種方法可以全面深入地了解益生菌的功能和特性，但鑒定具有特定益生菌的菌株在很大程度上仍依賴于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)或臨床試驗(yàn)來研究益生菌對(duì)宿主健康的影響。

　　為了開發(fā)高效、準(zhǔn)確和高通量益生菌篩選流程，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)一種集成機(jī)器學(xué)習(xí)的智能芯片腸道系統(tǒng)。腸道芯片系統(tǒng)將高通量微流控芯片與環(huán)境控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)益生菌與宿主細(xì)胞的共培養(yǎng)，為多種益生菌共培養(yǎng)提供了標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展的腸道微環(huán)境。通過結(jié)合無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法，智能腸道芯片系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、全面、高效地評(píng)估12種雙歧桿菌菌株與腸炎模型宿主細(xì)胞之間的相互作用，量化和區(qū)分益生菌株之間微妙的治療差異，以確定它們作為炎癥性腸病緩解劑的潛力。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)雙歧桿菌3-14在體外和體內(nèi)均能有效緩解腸道炎癥并增強(qiáng)上皮屏障功能。這種策略的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于，能夠智能地區(qū)分益生菌株的細(xì)微治療差異，并對(duì)其功效進(jìn)行優(yōu)先排序，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、準(zhǔn)確的功能性益生菌篩選。

　　用于益生菌篩選的芯片上的智能腸道平臺(tái)示意圖，包括：(i) 在高通量芯片中進(jìn)行益生菌和腸道細(xì)胞的共培養(yǎng)并收集樣本；(ii) 收集數(shù)據(jù)并分析；(iii) 機(jī)器學(xué)習(xí)生成評(píng)分分析器；(iv) 對(duì)具有緩解炎癥性腸病作用的益生菌進(jìn)行排序。

　分析來自腸芯片和用于益生菌篩選的分?jǐn)?shù)分析儀的多模型數(shù)據(jù)特征的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。(A）流程圖顯示了使用幾種算法（如皮爾遜相關(guān)分析、巴特利特檢驗(yàn)、KMO 檢驗(yàn)和 PCA）收集和分析數(shù)據(jù)集的順序步驟。(B）火山圖顯示了 GEO 數(shù)據(jù)庫中 4 個(gè)公開隊(duì)列中炎癥性腸病組和對(duì)照組的差異表達(dá)基因。數(shù)據(jù)經(jīng)過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，并使用雙側(cè) Man-Whitney U 檢驗(yàn)進(jìn)行分析，以得出統(tǒng)計(jì) p 值和 q 值。折疊變化的閾值用垂直虛線表示，即折疊變化>1.3。紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)分別表示上調(diào)基因和下調(diào)基因。(C) 顯示治療組中不同生物標(biāo)記物之間相對(duì)相關(guān)性的弦圖。(D）利用相關(guān)系數(shù)矩陣?yán)L制的scree圖。該圖顯示了其典型根、方差貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率。(E) 顯示幾種益生菌前三個(gè)主成分聚類的三維散點(diǎn)圖。(F) PCA 分析的熱圖，描述了根據(jù) PCA 算法生成的 6 個(gè)主成分中不同生物標(biāo)志物的相對(duì)負(fù)荷。(G）利用生成的得分分析器對(duì)益生菌菌株進(jìn)行得分排序。

　　本研究結(jié)合器官芯片和機(jī)器學(xué)習(xí)，為益生菌與益生元的鑒定提供一個(gè)全新的體外評(píng)估平臺(tái)。

　　王碩教授團(tuán)隊(duì)近幾年在食品營(yíng)養(yǎng)與健康領(lǐng)域的微流控芯片和器官芯片等方向開展了一系列基礎(chǔ)研究工作，這些工作是在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)委相關(guān)項(xiàng)目的資助下完成的。未來，該團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步研究其在益生菌、合生元和其他活性生物治療產(chǎn)品中的適用性。

　　南開大學(xué)為該項(xiàng)工作的第一完成單位及唯一通訊單位。南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院、公共衛(wèi)生與健康研究院講師吳景、副教授張博崴、博士研究生劉曉霞為該論文共同第一作者，南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院、公共衛(wèi)生與健康研究院王碩教授為唯一通訊作者。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202408485

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